تيتانيا (قمر)

الاكتشاف والتسمية

اكتشف تيتاتنيا بواسطة ويليام هيرشل في 11 كانون الثاني من سنة 1787 وفي نفس اليوم اكتشف قمر ثاني لأورانوس هو أوبيرون. كما أنه سجل فيما أنه اكتشف أربع أقمار أخرى لأورانوس، لكن ثبت لاحقا أن ملاحظته هذه كانت خاطئة. لم يتم رصد تيتانيا وأوبيرون مرة أخرى بعد رصده من قبل هيرشل إلا بعد خمسين عام، على الرغم من إمكانية مشاهدته من الأرض بتلسكوبات الهواة.
سميت جميع أقمار أورانوس على أسماء شخصيات من مسرحيات ويليام شكسبير وألكسندر بوب. واسم تيتانيا مشتق من مسرحية حلم ليلة صيف لوليام شكسبير. وقد تم اقتراح الأسماء الأربعة لأقمار أورانوس المكتشفة من قبل جون هيرشل ابن ويليام هيرشل سنة 1852، بناء على طلب ويليام لاسيل، الذي اكتشف قمرين أخرىن من الأقمار الرئيسية وهما أرييل وأومبريل.
كان يشار إلى تيتانيا في البداية بالقمر الأول لأورانوس. وفي سنة 1848 أعطي الاسم أورانوس الأول باقتراح من ويليام لاسيل، على الرغم من استخدامه أحيانا تسمية ويليام هيرشل (الذي دعى تيتانيا بأورانوس الثاني وأوبيرون بأورانوس الثالث). وقام لاسيل سنة 1851 بترقيم أقمار أورانوس بأرقام لاتينية حسب بعدها عن أورانوس ليصبح أورانوس الثالث.

المدار

يدور تيتانيا حول أورانوس على بعد 436,000 كم، وهو ثاني أبعد الأقمار الرئيسية الخمسة الخاصة بذاك الكوكب. الشذوذ المداري لتيتانيا قليل، كما أن الميلان المداري قليل جدا بالنسبة لخط استواء أورانوس. تستغرق فترة المدار الفلكية 8.7 يوم، وهي متوافقة مع فترة الدوران الذاتي للقمر. بالتالي تيتانيا لديه مدار متزامن أو مقيد مدياً بحيث يواجه وجه واحد للقمر أورانوس.
يقع مدار تيتانيا بشكل كامل ضمن غلاف أورانوس المغناطيسي. وهذا هام لأنه كلا قطبي القمر يقع بشكل كامل ضمن الغلاف المغناطيسي، الأمر الذي يؤدي إلى حدوث صدمات مع بلازما الغلاف المغناطيسي، مما يؤدي بدوره إلى مشاهدة السواد في الجانب المعزول مغناطيسياً (بسسبب وقوع هذا الجانب خارج الغلاف المغناطيسي لأورانوس)، وهذا أمر ملخوظ في جميع أقمار أورانوس باستثناء أوبيرون.
وبما أن أورانوس يدور حول الشمس تقريبا على جنبه، وأقمار أورانوس تدور حوله في مستوي خط استوائه، فإنها تخضع لدورات موسمية كبيرة. فكلا القطبين الجنوبي والشمالي يمكث مدة 42 سنة في الظلام، و 42 سنة أخرى يمكث تحت ضوء الشمس الدائم. مرة واحدة كل 42 سنة يصبح الاحتجاب المشترك مع أقمار أورانوس ممكن عندما يتعادل الليل والنهار على أورانوس ويتقاطع المستوي الاستوائي مع الأرض. لوحظت في الفترة ما بين عاميّ 2007 و 2008 العديد من مثل هذه الأحداث عندما رصد احتجاب لتيتانيا في 15 أغسطس وأومبريال في 8 ديسمبر من عام 2007.

المكونات والتركيب الداخلي

يعتبر تيتانيا من أضخم وأكبر الأقمار كتلة، ويأتي ترتيبه الثامن من حيث الكتلة في أقمار المجموعة الشمسية. تبلغ كثافته 1.71 غرام في السنتيمتر مكعب. وهي كثافة أكبر من الكثافة التقليدية لأقمار أورانوس، وهذا يشير إلى احتوائة على نسبة متساوية تقريبا من جليد الماء ومكونات غير جليد الماء والتي يمكن أن تتكون من الصخور ومواد غنية بالكربون متضمنة مواد عضوية. تم التأكد من وجود جليد الماء بواسطة الرصد من خلال أجهزة مطيافية الأشعة تحت الحمراء في السنوات ما بين 2001 و2005 والتي كشفت عن بلورات جليد الماء على سطح هذا القمر. الحزم الامتصاصية لجليد الماء أقل قوة على سطح تيتانيا في نصف المعزول مغناطيسياً لأورانوس من النصف المكشوف، وهو عكس ما تم ملاحظته على سطح أوبيرون. وسبب هذا التوزيع والاختلاف غير معروف، لكنه مرتبط بقصف الجزيئات المشحونة في بلازما الغلاف المغناطيسي لأورانوس والذي هو أكثر حدة في النصف المكشوف. تميل الجزيئات النشطة إلى تفل جليد الماء، ليتحلل الميتان المحصور في الجليد إلى هيدرات الغاز.
أما العنصر الآخر الذي تم تحديد وجوده على سطح تيتانيا مع الماء باستخدام الأشعة تحت الحمراء هو ثاني أكسيد الكربون والذي يتركز وجوده في الجانب المكشوف مغناطيسياً من أورانوس. إن أساس وجود ثاني أكسيد الكربون غير واضح تماماً، والذي يجب أن ينتج  من تحلل الكربونات أو مواد عضوية تحت أشعة الشمس الفوق بنفسجية أو من طاقة الجزيئات المشحونة القادمة من الغلاف المغناطيسي لأورانوس. وهذا قد يفسر وجود الكربون في الجانب المكشوف مغناطيسياً منه من الجانب المعزول، لأن الجانب المكشوف هو عرضة أكثر لتأثير شديد من الغلاف المغناطيسي لأورانوس من الجانب المعزول. كما أن هناك سبب آخر ممكن هو خروج الغازات للعنصر الأساسي لثاني اكسيد الكربون المحجوز في الماء. وقد يكون النشاط الجيولوجي القديم هو السبب في تسرب ثاني أكسيد الكربون من الماء.
من المحتمل أن تكون نواة تيتانيا نواة صخرية محاطة بدثار جليدي. فإذا كان هذا التوقع صحيح فإن نصف قطر النواة سيبلغ حوالي 520 كم وهو ما يعادل 66% من نصف قطر القمر وكتلته حوالي 58% من كتلة هذا القمر. أما الضغط في مركز القمر فيصل إلى 5.8 كيلو بار. الوضع الحالي للدثار الجليدي غير معروف فيما إذا كان يحوي على كمية كافية من الأمونيا أو مضادات التجمد الأخرى، وبذلك قد يملك تيتانيا طبقة من المحيط السائل تحيط بالنواة. وسيكون سماكة هذا المحيط في حالة وجوده أكثر من 50 كم ودرجة الحرارة بحوالي 190 كلفن. على أي حال فإن معرفة التركيب الداخلي لتيتانيا يعتمد على التاريخ الحراري لهذا الكوكب والمعرفة الحالية حول هذا التاريخ فقيرة حالياً.

الغلاف الجوي

يشير وجود غاز ثاني أكسيد الكربون على سطح تيتانيا إلى إمكانية وجود غلاف جوي ضعيف موسمي من CO₂، وهو مشابه إلى حد كبير بكاليستو. ومن غير المحتمل وجود غازات الأخرى مثل النيتروجين أو الميثان، لأن جاذبية القمر الضعيفة لن تستطيع منعهم من الإفلات من مجال هذا القمر. أقصى درجة حرارة على سطح هذا القمر يمكن أن تصل خلال الصيف إلى 89 كلفن، أما ضغط البخار فيصل لنفس مستوى غاز ثاني أكسيد الكربون تقريبا، أي حوالي 3 نانو بار.
حجب تيتانيا في 8 سبتمبر 2001 نجمة لامعة هي "HIP106829"، والتي تملك قدراً ظاهرياً يبلغ 7.2، وكانت الفرصة مواتية لتحسين المعلومات عن قطر والتقويم الفلكي للقمر، وتحديد وجود غلاف جوي حوله. وكشفت الدراسات عن عدم وجود غلاف جوي حيث يصل الضغط على السطح من 10 إلى 20 نانو بار. وفي حالة وجوده فإنه سيكون أرق مما هو لبلوتو وترايتون.
تؤدي الخصائص الهندسية المميزة لنظام أورانوس إلى تلقي قطبي أقمار أورانوس طاقة شمسية أكثر مما تتلقاه المنطقة الاستوائية لهذه الأقمار. وبما أن ضغط التبخر لغاز ثاني أكسيد الكربون هو تابع حاد لدرجة الحرارة، فإن هذا سيؤدي إلى تراكم ثاني أكسيد الكربون في المناطق ذات خطوط العرض المنخفضة لتيتانيا. ويمكن أن يتواجد في المناطق ذات البياض العالي أو المناطق الظليلة على شكل جليد على سطح القمر في الوقت الذي تتراوح فيه حرارة القطب ما بين 85 و 90 درجة كلفن، عندها يهاجر الكربون المتصعد إلى القطب الآخر أو المنطقة الاستوائية، مما يؤدي إلى نوع من دورة الكربون. يتم إزالة جليد الكربون المتراكم بفعل جسيمات الغلاف المغناطيسي. ويعتقد أن تيتانيا فقد كميات كبيرة من جليد الكربون منذ نشوءه قبل 4.5 ملايين سنة.

المنشأ والتطور

يعتقد أن تيتانيا تشكل من قرص مزود أو سديم ثانوي. ويعتقد أن قرص الغاز والغبار الذي كان موجود حول أورانوس لبعض الوقت بعد تشكله، أو وجد هذا القرص نتيجة اصطدام ضخم مع أورانوس وهو ما أدى أيضاً إلى الميل المحوري الكبير لأورانوس. التركيب الدقيق للسديم الثانوي غير معروف تماماً، لكن بمقارنة الكثافة العالية لأقمار أورانوس مقارنة مع أقمار زحل فإنه يعتقد أنه كان فقير بالماء ومن الممكن أن كميات كبيرة من النتروجين والكربون كانت موجودة على شكل أول أكسيد الكربون وغاز النتروجين بدلا عن الأمونيا والميثان وبالتالي فإن القمر المتشكل من مثل هكذا سديم ثانوي سيحوي كميات أقل من جليد الماء وصخور أكثر وهذا مايمكن أن يفسر الكثافة العالية له.
استمر تراكم القمر لمدة آلاف السنين، ونتج عن التصادم الذي أدى إلى هذا التشكل بارتفاع درجة حرارة الطبقات الخارجية لهذا القمر. ووصلت درجة الحرارة العظمى إلى 250 كلفن وامتدت حتى عمق 60 كم من السطح. وبعد نهاية التشكل بردت الطبقات السطحية في حين أن الكبقات العميقة سخنت بسبب إضمحلال نشاط إشعاعي الموجودة ضمن الصخور. وبالتالي تقلصت الطبقات القريبة من السطح في حين تمددت الطبقات الداخلية تسبب هذا في اجهادات شد في القشرة مسببة التشققات، بعض الأخاديد الموجودة حاليا نتجت بسبب هذه الإجهادات والتي استمرت حوالي 200 مليون سنة، مما يعني أن النشاطات الباطنية للقمر توقفت منذ مليارات السنين.
ممكن أن يكون التنامي الحراري مع استمرار إضمحلال العناصر المشعة كافياً بما فيه من قوة لإذابة الجليد إذا وجدت بعض مضادات التجمد مثل الأمونيا (في شكل هيدرات الأمونيا) أو ملح. ومن الممكن أن الصهر الإضافي أدى إلى فصل الجليد عن الصخور لتتشكل نواة صخرية محاطة بدثار جليدي. من الممكن وجود طبقة من الماء (محيط) منحل فيه الأمونيا متواجدة في الطبقة الحدية بين النواة والدثار. درجة انصهار هذا المزيج تساوي 176 كلفن. فإذا هبطت درجة الحرارة دون هذه القيمة سيتجمد المحيط في الحال. وسيقود هذا التجمد إلى تمدد القسم الداخلي والذي كان مسؤولا عن الأخاديد الرئيسية على سطح القمر. مع ذلك فإن المعرفة الحالية حول تشكل هذا القمر محدودة.

الاستكشاف

تم التقاط الصور الوحيدة الملتقطة عن قرب لتيتانيا حتى الآن بواسطة المسبار فوياجر 2، والذي صور القمر أثناء تحليقه فوق أورانوس في يناير / كانون الثاني من عام 1986. كانت أقرب مسافة بين فوياجر 2 وتيتانيا 365200 كم فقط، أفضل صور هذا القمر كانت بدقة مكانية تصل لحوالي 3.4 كيلومتر فقط (الدقة المكانية لصور ميراندا وأرييل كانت أفضل قرار)، وتغطي الصور حوالي 40% من السطح، ولكن تم تصوير 24% فقط بالدقة المطلوبة لرسم الخرائط الجيولوجية. في ذلك الوقت من التحليق، وكان  نصف تيتانيا الجنوبي (مثل الأقمار أخرى) في وقت التحليق متجها نحو الشمس، وبالتالي فإن النصف الشمالي كان مظلم لا يمكن دراسته. لا يوجد غير فوياجر من المسابر الفضائية قد زار أورانوس حتى ذلك الوقت، ومن المخطط إرسال مهمة جديدة إلى أورانوس وأقماره في المستقبل المنظور.