Введение
Миранда, также известная как Уран V, является самым маленьким и ближайшим к планете из пяти крупных спутников Урана. Она была открыта Джераром Койпером 16 февраля 1948 года в обсерватории Макдональда в Техасе и названа в честь Миранды из пьесы Уильяма Шекспира «Буря». Как и другие крупные спутники Урана, Миранда вращается близко к экваториальной плоскости своей планеты. Поскольку Уран вращается вокруг Солнца, лежа на боку, орбита Миранды почти перпендикулярна плоскости эклиптики и разделяет экстремальный сезонный цикл Урана. Диаметр Миранды составляет всего 470 км, что делает её одним из самых маленьких объектов в Солнечной системе, находящихся под пристальным наблюдением и, возможно, находящихся в гидростатическом равновесии (имеющих сферическую форму под действием собственной гравитации). Её площадь поверхности примерно соответствует площади штата Техас. Единственные детальные изображения Миранды были получены космическим аппаратом «Вояджер-2» во время пролета мимо Урана в январе 1986 года. Во время этого пролета южное полушарие Миранды было обращено к Солнцу, поэтому была изучена только эта часть. Миранда, вероятно, образовалась из аккреционного диска, окружавшего планету вскоре после её формирования, и, как и другие крупные спутники, вероятно, имеет дифференцированную структуру: каменистое ядро, окруженное ледяной мантией. Миранда обладает одной из самых экстремальных и разнообразных топографий среди всех объектов Солнечной системы, включая Верона Рупес – обрыв высотой около 20 километров, который может быть самым высоким обрывом в Солнечной системе, а также тектонические структуры в форме шеврона, называемые коронами. Происхождение и эволюция этой разнообразной геологии, наиболее выраженной среди всех спутников Урана, до сих пор полностью не выяснены, и существует множество гипотез относительно эволюции Миранды.
Miranda, also designated Uranus V, is the smallest and innermost of Uranus's five round satellites. It was discovered by Gerard Kuiper on 16 February 1948 at McDonald Observatory in Texas, and named after Miranda from William Shakespeare's play The Tempest. Like the other large moons of Uranus, Miranda orbits close to its planet's equatorial plane. Because Uranus orbits the Sun on its side, Miranda's orbit is nearly perpendicular to the ecliptic and shares Uranus's extreme seasonal cycle. At just 470 km in diameter, Miranda is one of the smallest closely observed objects in the Solar System that might be in hydrostatic equilibrium (spherical under its own gravity), and happens to have a surface area roughly similar to Texas. The only close up images of Miranda are from the Voyager 2 probe, which made observations of Miranda during its Uranus flyby in January 1986. During the flyby, Miranda's southern hemisphere pointed towards the Sun, so only that part was studied. Miranda probably formed from an accretion disc that surrounded the planet shortly after its formation and, like other large moons, it is likely differentiated, with an inner core of rock surrounded by a mantle of ice. Miranda has one of the most extreme and varied topographies of any object in the Solar System, including Verona Rupes, a roughly 20 kilometer high scarp that may be the highest cliff in the Solar System, and chevron shaped tectonic features called coronae. The origin and evolution of this varied geology, the most of any Uranian satellite, are still not fully understood, and multiple hypotheses exist regarding Miranda's evolution.
Открытие и название
Миранда была открыта 16 февраля 1948 года планетарным астрономом Джераром Койпером с помощью телескопа Отто Струве обсерватории Макдональда. Её движение вокруг Урана было подтверждено 1 марта 1948 года. Она стала первым спутником Урана, обнаруженным почти за 100 лет. Койпер решил назвать объект "Мирандой" в честь персонажа пьесы Шекспира "Буря", поскольку четыре ранее открытых спутника Урана – Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон – были названы в честь героев произведений Шекспира или Александра Попа. Однако предыдущие спутники были названы конкретно в честь фей, в то время как Миранда – человек. Последующие спутники Урана получили имена персонажей из произведений Шекспира и Попа, независимо от того, являются они феями или нет. Спутник также обозначается как Уран V.
Орбита
Из пяти круглых спутников Урана, Миранда обращается ближе всех к планете, на расстоянии около 129 000 км от поверхности – примерно на четверть дальше, чем самое удалённое кольцо Урана. Это луна с самой малой орбитой вокруг крупной планеты. Её орбитальный период составляет 34 часа и, подобно периоду вращения Луны, синхронизирован с ним, то есть она всегда обращена к Урану одной и той же стороной, явление, известное как приливное захват. Орбитальный наклон Миранды (4,34°) необычно велик для тела, находящегося так близко к своей планете – примерно в десять раз больше, чем у других крупных спутников Урана, и в 73 раза больше, чем у Оберона. Причина этого до сих пор не установлена; средних орбитальных резонансов между спутниками, которые могли бы это объяснить, не обнаружено, что привело к гипотезе о том, что спутники периодически проходят через вторичные резонансы, которые в какой-то момент в прошлом привели к временному захвату Миранды в резонанс 3:1 с Умбриэлем, прежде чем хаотические возмущения, вызванные вторичными резонансами, вывели её из него. В Уранской системе, из-за меньшей сплюснутости планеты и большего относительного размера её спутников, выход из среднего орбитального резонанса происходит легче, чем для спутников Юпитера или Сатурна.
Наблюдения и исследования
Видимое звездное величина Миранды составляет +16.6, что делает её невидимой для многих любительских телескопов. Практически вся известная информация о её геологии и географии была получена во время пролёта «Вояджера-2» мимо Урана 25 января 1986 года. Наименьшее расстояние, на которое «Вояджер-2» приблизился к Миранде, было значительно меньше, чем расстояния до всех остальных спутников Урана. Среди всех спутников Урана, поверхность Миранды была наиболее детально изучена. Команда, проводившая исследования, ожидала, что Миранда будет похожа на Мимас, и оказалась в затруднении, пытаясь объяснить уникальную географию спутника в течение 24 часов до публикации изображений для прессы. В 2017 году, в рамках десятилетнего обзора планетарных наук, NASA оценило возможность отправки орбитального аппарата к Урану в 2020-х годах. Уран был предпочтительным направлением по сравнению с Нептуном из-за благоприятного расположения планет, что обеспечивало бы более короткое время полёта.
Состав и внутренняя структура
При плотности 1,15 г/см³ Миранда является наименее плотным из круглых спутников Урана. Такая плотность указывает на то, что её состав содержит более 60% водяного льда. Поверхность Миранды, вероятно, состоит в основном из водяного льда, хотя она значительно более скалистая, чем соответствующие спутники в системе Сатурна, что позволяет предположить, что тепло, выделяемое при радиоактивном распаде, могло привести к внутренней дифференциации, в результате которой силикатные породы и органические соединения осели в её недрах. Миранда слишком мала, чтобы сохранить какое-либо внутреннее тепло на протяжении всего существования Солнечной системы. Однако, наиболее вероятная гипотеза заключается в том, что нагрев был вызван приливными силами в прошлом, когда она находилась в орбитальном резонансе 3:1 с Умбриэлем. Этот резонанс мог увеличить орбитальную эксцентричность Миранды до 0,1 и вызвать приливное трение из-за изменяющихся приливных сил Урана. При приближении Миранды к Урану приливные силы возрастали, а при удалении – уменьшались, что приводило к деформации и нагреву её недр на 20 К, достаточным для начала плавления. Период деформации, вызванной приливными силами, мог длиться до 100 миллионов лет. Кроме того, если в Миранде существовали клатраты, как предполагается для спутников Урана, они могли служить изолятором, поскольку их теплопроводность ниже, чем у воды, что дополнительно повысило бы температуру Миранды. Миранда также могла в прошлом находиться в орбитальном резонансе 5:3 с Ариэлем, что также способствовало её внутреннему нагреву. Однако, максимальный нагрев, обусловленный резонансом с Умбриэлем, вероятно, был примерно в три раза выше.
Регионы
Регионы, идентифицированные на изображениях, полученных с помощью зонда Voyager 2, называются Mantua Regio, Ephesus Regio, Sicilia Regio и Dunsinane Regio. Это поверхность с относительно высоким альбедо и серия ущелий, простирающихся на север от точки вблизи полюса. На широте около −55° ущелья, ориентированные с севера на юг, как правило, пересекаются с другими, идущими с востока на запад. Небольшое количество ударных кратеров указывает на то, что Инвернесс является самым молодым из трех обнаруженных на поверхности Миранды корон.
Арден Корона
Арденская корона, присутствующая в переднем полушарии Миранды, простирается примерно с востока на запад. Однако другое измерение остается неизвестным, поскольку при фотографировании «Вояджером-2» местность выходила за пределы терминатора (на полушарии, погруженном в ночь). Внешний край этой короны образует параллельные и темные полосы, которые окружают в нежных кривых более четкое прямоугольное ядро шириной не менее . Общий эффект описан как овал, образованный линиями. Внутренний регион и пояс Ардена демонстрируют существенно различающиеся морфологии. Внутренняя топография выглядит регулярной и сглаженной. Она также характеризуется пятнистым рисунком, образованным крупными участками относительно яркого материала, разбросанного по преимущественно темной поверхности. Стратиграфическую взаимосвязь между светлыми и темными элементами невозможно было установить по изображениям, полученным «Вояджером-2». Область на краю Ардена характеризуется концентрическими полосами альбедо, которые простираются от западного конца короны, где они пересекают кратерообразную местность (около 40° долготы), и на восточной стороне, где они выходят за пределы северного полушария (около 110° долготы). Контрастные полосы альбедо состоят из внешних сторон уступов разломов. Возраст кратера не дает информации о дате образования местности, которую он отмечает. Вместо этого эта дата зависит от количества кратеров, присутствующих на участке, независимо от их возраста. Чем больше кратеров на местности, тем она старше. Ученые используют их как «планетарные хронометры», подсчитывая наблюдаемые кратеры для определения возраста рельефа инертных естественных спутников, лишенных атмосферы, таких как Каллисто. На Миранде не обнаружено ни кратеров с множественными кольцами, ни сложных кратеров с центральным пиком. Плотность ударных кратеров была установлена для различных районов Инвернесса, что позволило определить возраст каждого из них. Учитывая эти измерения, все геологическое образование сформировалось за относительно короткий период времени. Однако другие наблюдения позволяют предположить, что самая молодая зона в пределах этой короны – это зона, отделяющая «шеврон» от Argier Rupes. Кажется, что две зоны короны сформировались в один и тот же геологический период, но другие геологические элементы указывают на то, что периметр Эльсинора моложе его ядра. Однако наиболее плотным кратерами является антиуранское полушарие. Эту ситуацию можно объяснить прошлым событием, вызвавшем переориентацию оси вращения Миранды на 90° по сравнению с современной. Эта субтуманность либо существовала вокруг Урана в течение некоторого времени после его формирования, либо была создана в результате космического удара, который придал оси вращения Урана большой наклон. Похоже, что самые последние геологические образования датируются всего несколькими сотнями миллионов лет назад. Некоторые ученые даже говорят о нескольких циклах столкновения и переаккреции Луны. Эта геологическая гипотеза была отвергнута в 2011 году в пользу гипотез, связанных с приливными силами Урана. Они могли бы вытягивать и поворачивать материалы, находящиеся под Инвернессом и Арденом, создавая уступы разломов. Растяжение и искажение, вызванные гравитацией Урана, могли бы сами по себе обеспечить источник тепла, необходимый для этих процессов. Самыми старыми известными областями на поверхности Миранды являются кратерные равнины, такие как Sicilia Regio и Ephesus Regio. Формирование этих местностей последовало за аккрецией Луны, а затем ее охлаждением. В отличие от наблюдений на спутнике Юпитера Ио, эти явления орбитального резонанса между Мирандой и Ариэлем не могли привести к стабильному захвату небольшой Луны. Последовательно избегая нескольких орбитальных резонансов, Миранда чередовала фазы нагрева и охлаждения. Другим предложенным объяснением образования этих двух корон является продукт диапира, который сформировался бы в недрах Луны. В этом случае Миранда хотя бы частично дифференцировалась. Учитывая размер и положение этих корон, возможно, что их формирование способствовало изменению момента инерции Луны. Вероятно, эти различные геологические эпизоды следовали друг за другом без перерыва. Феномены орбитальных резонансов, и в основном связанные с Умбриэлем, но также, в меньшей степени, с Ариэлем, оказали бы значительное влияние на орбитальную эксцентриситет Миранды и также способствовали бы внутреннему нагреву и геологической активности Луны. Все это могло бы вызвать конвективные движения в ее подстилающем слое и позволить началу планетарной дифференциации. В то же время эти явления лишь незначительно повлияли бы на орбиты других участвующих лун, которые более массивны, чем Миранда. Однако поверхность Миранды может показаться слишком истерзанной, чтобы быть исключительно продуктом явлений орбитального резонанса. После того, как Миранда вышла из этого резонанса с Умбриэлем посредством механизма, который, вероятно, переместил Луну в ее нынешнее, аномально высокое орбитальное наклонение, эксцентриситет был бы уменьшен. Приливные силы затем стерли бы эксцентриситет и температуру в недрах Луны. Это позволило бы ей восстановить сферическую форму, не устранив при этом впечатляющие геологические артефакты, такие как Verona Rupes.