Umbriel

Penemuan dan penamaan

Umbriel, bersamaan dengan satelit Uranus lain Ariel, ditemukan oleh William Lassell pada tanggal 24 Oktober 1851. Meskipun William Herschel yang menemukan Titania dan Oberon mengklaim pada akhir abad ke-18 bahwa ia telah mengamati empat satelit tambahan di Uranus, pengamatannya tidak dapat dipastikan dan empat objek tersebut kini diduga bohong.
Semua satelit Uranus diberi nama sesuai nama tokoh karangan William Shakespeare atau Alexander Pope. Nama keempat satelit tersebut diusulkan oleh John Herschel pada tahun 1852 atas permintaan Lassell. Umbriel adalah 'bidadari gundah kehitam-hitaman' dalam puisi The Rape of the Lock karya Alexander Pope, dan namanya memberi kesan kata umbra dalam bahasa Latin, yang berarti bayangan. Satelit ini juga disebut Uranus II.

Orbit

Umbriel mengorbit Uranus dari jarak 266.000 km, sehingga merupakan yang terjauh ketiga dari Uranus di antara lima satelit utamanya . Orbit Umbriel memiliki eksentrisitas yang kecil dan sedikit terinklinasi relatif terhadap khatulistiwa Uranus. Periode orbitnya 4,1 hari Bumi, yang sama dengan periode rotasinya. Dalam kata lain, Umbriel adalah satelit yang sinkron atau terkunci secara pasang surut, dengan satu permukaan selalu menghadap Uranus. Orbit Umbriel berada di dalam magnetosfer Uranus. Hal ini penting karena satelit yang mengorbit di dalam magnetosfer terkena plasma magnetosfer, sehingga belahan yang melawan arah orbit mengalami penggelapan, yang dapat diamati di semua satelit Uranus kecuali Oberon. Umbriel juga merupakan tempat masuknya partikel bermuatan magnetosfer, yang mengakibatkan penurunan jumlah partikel energetik di dekat orbit Umbriel (seperti yang diamati oleh Voyager 2 pada tahun 1986).
Karena Uranus mengorbit Matahari di sisinya, dan orbit satelitnya berada di khatulistiwa planet tersebut, satelit-satelit tersebut (termasuk Umbriel) mengalami siklus musim yang ekstrem. Kutub utara dan selatan Umbriel diselimuti kegelapan selama 42 tahun, dan 42 tahun berikutnya Matahari tidak pernah tenggelam, dan Matahari terbit di dekat zenith di salah satu kutub setiap terjadinya titik balik matahari. Penerbangan lintas Voyager 2 berbarengan dengan titik balik matahari musim panas belahan selatan pada tahun 1986, ketika seluruh belahan utara tidak disinari. Setiap 42 tahun, ketika Uranus mengalami ekuinoks dan bidang khatulistiwanya menyilang dengan Bumi, okultasi satelit-satelit Uranus mungkin terjadi. Pada tahun 2007-2008, peristiwa semacam itu berhasil diamati, termasuk dua okultasi Titania oleh Umbriel pada 15 Agustus dan 8 Desember 2007, dan juga okultasi Ariel oleh Umbriel pada tanggal 19 Agustus 2007.
Saat ini Umbriel sedang tidak terlibat dalam resonansi orbit dengan satelit Uranus lainnya. Namun, pada masa awalnya, mungkin terjadi resonansi 1:3 dengan Miranda. Resonansi ini akan meningkatkan eksentrisitas orbit Miranda, yang membuatnya mengalami pemanasan internal dan peningkatan aktivitas geologis, sementara orbit Umbriel tidak terlalu terpengaruh. Akibat kepepatan Uranus dan ukurannya yang lebih kecil relatif terhadap satelit-satelitnya, satelit-satelit Uranus dapat lebih mudah terlepas dari resonansi pergerakan rata-rata dibanding satelit di Yupiter atau Saturnus. Setelah Miranda terlepas dari resonansi ini (melalui mekanisme yang kemungkinan menyebabkan Miranda memiliki inklinasi orbit yang tinggi), eksentrisitasnya akan teredam, sehingga mematikan sumber panasnya.

Komposisi dan struktur internal

Umbriel adalah salah satu satelit terbesar Uranus. Kepadatannya tercatat 1,39 g/cm³, yang menunjukkan bahwa satelit tersebut terutama terdiri dari es air, dengan komponen non-es yang padat meliputi 40% massanya. Komponen non-es mungkin terdiri dari bebatuan dan materi karbon seperti senyawa organik berat yang dikenal dengan nama tholin. Keberadaan es air dibuktikan melalui pengamatan spektroskopik inframerah, yang menunjukkan keberadaan es air kristalin di permukaan Umbriel. Pita serapan es air lebih kuat di belahan depannya (yang menghadap ke arah gerakan orbit) daripada belahan belakangnya (yang melawan arah gerakan orbit). Penyebabnya masih belum diketahui, namun mungkin terkait dengan paparan partikel bermuatan dari magnetosfer Uranus, yang lebih kuat di belahan belakang (akibat plasma yang turut berotasi). Partikel energetik mengeluarkan atom dari es air, menguraikan metana yang terperangkap di es seperti klatrat hidrat dan menggelapkan materi organik lain, sehingga meninggalkan residu gelap yang kaya akan karbon di belakang.
Kecuali air, senyawa lain yang ditemukan di permukaan Umbriel melalui spektroskopi inframerah adalah karbon dioksida, yang terkonsentrasi di belahan belakangnya. Asal usul karbon dioksida masih belum jelas. Senyawa tersebut mungkin dihasilkan dari materi organik atau karbonat sebagai akibat dari paparan partikel bermuatan yang berasal dari magnetosfer Uranus atau radiasi ultraviolet matahari. Hipotesis ini dapat menjelaskan kesenjangan persebaran karena belahan belakang lebih terpengaruh oleh magnetosfer dibanding belahan depan. Sumber lain mungkin berasal dari pelepasan karbondioksida primordial yang terperangkap di es air bagian dalam Umbriel. Pelepasan karbondioksida dari bagian dalam mungkin merupakan akibat dari aktivitas geologis Umbriel pada masa lalu.
Umbriel mungkin terdiferensiasi menjadi inti berbatu yang dikelilingi mantel ber-es. Jika hal ini benar, jari-jari inti Umbriel (317 km) merupakan 54% jari-jari Umbriel, dan massanya sekitar 40% massa Umbriel-parameternya ditentukan melalui komposisi Umbriel. Tekanan di pusat Umbriel sekitar 0,24 GPa (2,4 kbar). Keadaan mantel ber-es masih belum jelas, meskipun keberadaan samudra bawah laut dianggap tak mungkin.

Asal usul dan evolusi

Umbriel diduga terbentuk dari cakram protoplanet atau subnebula; cakram gas dan debu yang ada di sekitar Uranus setelah pembentukannya atau yang terbentuk akibat tubrukan besar yang membuat Uranus memiliki kemiringan sumbu yang besar. Komposisi subnebula ini masih belum diketahui; namun, kepadatan satelit-satelit Uranus yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan satelit-satelit Saturnus menunjukkan bahwa mungkin subnebula tersebut tidak kaya akan air. Mungkin juga terdapat banyak nitrogen dan karbon dalam bentuk karbon monoksida (CO) dan nitrogen molekuler (N₂) daripada amonia dan metana. Satelit yang terbentuk dalam subnebula seperti itu akan mengandung lebih sedikit es air (dengan CO dan N₂ terperangkap sebagai klatrat) dan lebih banyak batu, sehingga memiliki kepadatan yang lebih tinggi.
Akresi Umbriel mungkin berlangsung selama beberapa ribu tahun. Tubrukan yang menyertai akresi menyebabkan pemanasan lapisan luar. Suhu maksimal dapat mencapai 180 K dalam kedalaman 3 km. Setelah berakhirnya pembentukan, lapisan bawah permukaan mendingin, sementara bagian dalam Umbriel memanas akibat peluruhan unsur radioaktif yang ada dalam bebatuannya. Lapisan dekat permukaan yang mendingin berkontraksi, sementara bagian dalam meluas. Hal ini mengakibatkan tekanan ekstensional di kerak Umbriel, yang mungkin menyebabkan keretakan. Proses ini kemungkinan berlangsung selama sekitar 200 juta tahun, yang menunjukkan bahwa aktivitas endogenik sudah berakhir sejak miliaran tahun lalu.
Pemanasan akresi awal dan peluruhan unsur radioaktif mungkin mencairkan es bila terdapat unsur antibeku seperti amonia (dalam bentuk amonia hidrat) atau garam. Pencairan tersebut mungkin mengakibatkan pemisahan es dari batu dan pembentukan inti berbatu yang dikelilingi oleh mantel ber-es. Lapisan samudra cair yang kaya akan amonia mungkin terbentuk di batas antara inti dan mantel. Suhu eutektik campuran ini 176 K. Namun, samudra tersebut mungkin telah beku sejak lama. Di antara satelit-satelit Uranus, Umbriel merupakan yang tidak mengalami proses pelapisan kembali secara endogenik, walaupun pada masa awalnya peristiwa tersebut mungkin terjadi.

Penjelajahan

Sejauh ini citra dekat Umbriel baru diabadikan oleh wahana Voyager 2 saja. Wahana tersebut mengambil gambar Umbriel saat terbang lintas di Uranus pada Januari 1986. Jarak terdekat antara Voyager 2 dengan Umbriel tercatat sebesar 325.000 km, sehingga citra terbaik Umbriel memiliki resolusi 5,2 km. Citra-citra tersebut meliputi 40% permukaan, tapi hanya 20% gambar yang kualitasnya layak untuk pemetaan geologis. Pada saat terbang dekat, belahan selatan Umbriel (seperti satelit lain) sedang menghadap ke arah Matahari, sehingga belahan utara tak dapat dipelajari. Belum ada wahana lain yang mengunjungi Uranus setelah Voyager 2, dan belum ada misi yang direncanakan akan mengunjungi planet tersebut.