Ariel (måne)

Oppdagelse og navn

Ariel ble oppdaget 24. oktober 1851 av William Lassell, og er oppkalt etter luftånden i Alexander Popes The Rape of the Lock og William Shakespeares Stormen.
Både Ariel og den noe større Umbriel ble oppdaget av Lassell samme dag. William Herschel, som oppdaget de to største Uranus-månene Titania og Oberon i 1787, hevdet å ha observert ytterligere fire måner, men disse ble aldri bekreftet og er nå regnet for å hav vært «falske».
Alle av Uranus' måner er oppkalt etter skikkelser i verkene til William Shakespeare eller Alexander Popes The Rape of the Lock. Alle de fire satellittene som var kjent da, ble oppkalt etter forslag fra John Herschel i 1852, på forespørsel fra Lassell. Ariel er oppkalt etter den ledende sylfen i The Rape of the Lock. Det er også navnet ånden som tjener Prospero i Shakespeare Stormen. Månen bærer også betegnelsen Uranus I.

Bane

Blant Uranus' fem største måner er Ariel den som ligger nest nærmest planeten, med en avstand på ca. 190 000 km. Banen har en liten eksentrisitet og er svært lite inklinert i forhold til Uranus' ekvator. Omløpstiden tilsvarer ca. 2,5 døgn her på jorden og tilsvarer også Ariels rotasjonsperiode. Det vil si at satellitten er i en bundet rotasjon med Uranus, og at den samme siden av Ariel alltid vender mot planeten.
Hele banen til Ariel ligger innenfor magnetosfæren til Uranus. De bakre halvkulene – de som vender bort fra retningen av banen – til satellitter uten luft, og som går i bane på innsiden av en magnetosfære, treffes av magnetosfærisk plasma som roterer med planeten. Dette bombardementet av plasma kan føre til at den bakre halvkulen for alle observerte måner unntatt Oberon (se under) blir mørkere. I 1986 observerte Voyager 2 et fall i energetiske partikler rundt månens bane, som følge av at Ariel også fanger opp magnetosfæriske ladede partikler.
Fordi Ariel, akkurat som Uranus, går i bane rundt solen nesten på siden i forhold til rotasjonen, er de nordlige og sørlige halvkulene enten vendt direkte mot eller direkte bort fra solen ved solvervene. Dette betyr at det oppstår ekstreme sesongsykluser. Akkurat som jordens poler har permanent mørke eller dagslys rundt solvervene, har Ariels poler permanent mørke eller dagslys tilsvarende et halvt år på Uranus (42 år på jorden) der solen stiger opp nær senit over en av polene for hvert solverv.
Da Voyager 2 fløy forbi i 1986, sammenfalt det med solverv på den sørlige halvkulen, og nesten hele den nordlige halvkulen var ubelyst. Hvert 42. år, når Uranus har et jevndøgn og ekvatorplanet skjærer jorden, blir det mulig med gjensidig okkultasjon av Uranus' måner. En rekke slike hendelser fant sted i 2007–2008, inkludert en okkultasjon mellom Ariel og Umbriel 19. august 2007.
Per i dag er ikke Ariel en del av noen baneresonanser med andre måner. Tidligere, derimot, har den vært i en 5:3-resonans med Miranda. Dette kan ha vært en delvis grunn til oppvarmingen av den månen – selv om den maksimale oppvarmingen tilknyttet en tidligere 1:3-resonans mellom Umbriel og Miranda sannsynligvis var tre ganger større.
Ariel kan tidligere også ha vært låst i en 4:1-resonans med Titania, som den senere slapp unna. Å komme unna en slik baneresonanse er mye lettere for månene til Uranus enn det er for de til Jupiter og Saturn. Dette skyldes at Uranus har mindre grad av flattrykthet enn de to andre. Denne resonansen, som sannsynligvis oppstod for ca. 3,8 milliarder år siden, ville ha økt Ariels baneeksentrisitet og ført til tidevannfriksjon på grunn av tidsvarierende tidevannskrefter fra Uranus. Dette ville ha ført til en oppvarming av månens indre med så mye som 20 K.

Sammensetning og indre struktur

Ariel er den fjerde største av Uranus' måner, og kan ha ha den tredje største massen. Månen har en tetthet på 1,66 g/cm³, noe som indikerer at den består av omtrent like delere frossent vann og tett, ikke-is-komponent. Sistnevnte kan bestå av stein og karbonholdige materialer inkludert tunge organiske forbindelser kjent som tholiner. Tilstedeværelsen av frossent vann støttes av infrarøde spektroskopiske observasjoner som har avslørt krystallinsk is på overflaten.
Spektrallinjene til frossent vann er sterkere på Ariels førende halvkule en den er på den bakre. Grunnen til denne forskjellen er ikke kjent, men det kan være relatert til bombardementet av ladede partikler fra Uranus magnetosfære som er sterkere på den bakre halvkulen på grunn av plasmaens rotasjon med planeten. De energetiske partiklene freser opp isen, bryter ned metanet som er fanget i isen som klatrathydrater, formørker andre organiske stoffer og etterlater mørke, karbonrike rester.
Med unntak av vann, er det bare karbondioksid (CO₂) som har blitt identifisert på overflaten gjennom infrarød spektroskopi. Karbondioksiden er primært konsentrert på den bakre halvkulen. Blant alle månene rundt Uranus viser Ariel de sterkeste spektroskopiske tegnene på CO₂, og den var den første Uranus-månen hvor dette ble oppdaget. Opphavet til denne karbondioksiden er ikke helt klar. Den kan være produsert lokalt fra karbonater eller organiske materialer under påvirkning av de energetiske ladede partiklene fra Uranus' magnetosfære eller solens ultrafiolette stråling. Denne hypotesen ville forklart asymmetrien i fordelingen ved at den bakre halvkulen er gjenstand for en mer inens magnetosfærisk påvirkning enn hva fremre halvkulen er. En annen mulig kilde er utblåsingen av den opprinnelige CO₂ som er fanget av frossent vann i Ariels indre. Uttømmingen av CO₂ fra det indre kan være relatert til tidligere geologisk aktivitet på månen.
Gitt størrelsen, sammensetningen av is og stein og den mulige tilstedeværelsen av salt eller ammoniakk i løsning for senke frysepunktet for vann, kan Ariels indre være differensiert i en steinete kjerne omgitt av en isete mantel. Hvis dette er tilfellet, er radien av kjernen (372 km) ca. 64 % av månen, og massen er rundt 56 % av månens totale masse (parametrene er gitt av månens sammensetning). Trykket i sentrum av Ariel er ca. 0,3 GPa (3 kbar). Tilstanden til den isete mantelen er uklar, selv om eksistensen av et underjordisk hav anses som usannsynlig.

Albedo og farge

Ariel er den mest reflektive av Uranus' måner. Overflaten viser en opposisjonseffekt, det vil si at reflektiviteten reduseres fra 53 % ved fasevinkel på 0° (geometrisk albedo) til 35 % ved en vinkel på ca. 1°. Ariels Bond-albedo er omtrent 23 % – det høyeste blant Uranus måner. Overflaten er generelt nøytral i fargen, men der kan være en forskjell mellom den fremre og bakre halvkulen; Sistnevnte synes å være ca. 2 % rødere enn førstnevnte.
Det vises generelt ingen sammenheng mellom albedo og geologi på den ene side og farge på den andre side. For eksempel har dalene den samme fargen som det kraterbelagte terrenget. Dog er noen rester rundt noen nyere kratre litt blåere i fargen. Der finnes også noen flekker som er blitt blålige i fargen, men disse sammenfaller ikke med noen kjente overflateformasjoner.

Overflateformasjoner

Den delen av overflaten som er observert, kan deles inn i tre typer terreng: kraterterreng, åsete terreng og sletter.
De vanligste formasjonene er nedslagskratre, daler, klipper, åsrygger og forsenkninger.
Kraterterrenget, en skiftende overflate dekket av en rekke nedslagskratre og som ligger ved Ariels sørpol, er månens eldste og mest geografisk omfattende geologiske enhet. Enheten er gjennomskåret av et nettverk av klipper, canyoner (graben) og smale rygger som primært oppstår i Ariels midlere sørlige breddegrader. Canyonene, som er kjent som chasmata, er trolig graben dannet av forkastninger som kom av globale strekkstyrker forårsaket av frysende vann (eller vandig ammoniakk) i månens indre (se under).
Canyonene er ofte 15–50 km brede og ligger normalt i en østlig eller nordøstlig retning. Bunnen i mange av disse er konvekse og stiger opp med 1–2 km. I noen tilfeller er også gulvet adskilt fra veggene i canyonen av grøfter (forsenkninger) med bredder på ca. 1 km. De bredeste graben har spor som løper langs det konvekse gulvet som kalles valles. Den lengste canyon er Kachina Chasma, som er over 620 km lang – den strekker seg inn på halvkulen av Ariel som ikke var belyst da Voyager 2 var der.
Den andre hoved-terrengtypen – åsete terreng – består av bånd av rygger og daler som strekker seg over hundrevis av kilometer. Det binder sammen grenser til kraterterrenget og deler det opp i polygoner. I hvert av områdene, som kan bli opp til 25–70 km brede, er det individuelle rygger og daler opp til 200 km lange og 10–35 km fra hverandre. Områdene med åsete terreng danner ofte fortsettelsen av daler, noe som antyder at de kan være en form for graben eller resultat av en annen reaksjon i skorpen med de samme ekstensjonspåkjenningene.
Det yngste terrenget som er observert på Ariel er slettene – relativt lavtliggende jevne områder som må ha blitt dannet over en lang tidsperiode om man skal tolke de varierende mengdene av kratre. Slettene finnes på bunnen av dalførene og i noen få irregulære forsenkninger i midten av det kraterbelagte terrenget. I sistnevnte tilfelle er de adskilt fra det kraterbelagte terrenget av tydelige grenser, som i noen tilfeller har et flikkete mønster.
Det mest sannsynlige er at disse slettene oppstår gjennom vulkanske prosesser. Deres lineære geometri ligner terrestriske skjoldvulkaner, og distinkte topografiske forhold antyder at lavaen som ble sendt ut var svært viskøs, kanskje en løsning av superkjølt vann og ammoniakk. Isvulkanisme er også en mulighet. Tykkelsen på disse hypotetiske kryolavastrømmene er estimert til å være 1–3 km. Dalstrøkene må derfor ha blitt dannet på en tid hvor den endogene restruktureringen av overflaten fremdeles fant sted på Ariel.
Ariel synes å ha en relativt jevn kraterfordeling sammenlignet med de andre Uranus-månene; den relative mangelen på store kratre antyder at overflaten ikke er av samme dato som solsystemets dannelse, noe som betyr at Ariel må ha fått en ny overflate over det hele en gang i løpet av historien. Tidligere geologisk aktivitet på Ariel antas å ha blitt drevet av tidevannsoppvarming på en tid da banen var mer eksentrisk enn den nåværende.
Det største krateret som er observert på Ariel, Yangoor, er 78 km i diameter, og viser tegn på deformering. Alle de store kratrene på satellitten har flate gulv og sentrale topper, og noe få av kratrene er omgitt av lyse oppvirvlede avleiringer. Mange av  kratrene er polygonale, noe som antyder at utseende ble påvirket av den allerede eksisterende skorpestrukturen. På de kraterbelagte slettene er det noen få store (ca. 100 km i diameter) lyse flekker som kan være forringede nedslagskratre. Hvis dette er tilfelle, vil de være lignende palimpsest på Jupiter-månen Ganymedes. Det er også foreslått at en sirkulær nedsenkning som er 245 km i diameter, og som ligger ved 10°S 30°E er en stor, men svært forringet nedslagsformasjon.

Opprinnelse og utvikling

Ariel antas å ha blitt dannet fra en akkresjonsskive eller subtåke – en skive av gass og støv som enten eksisterte rundt Uranus i en periode etter dannelsen av planeten, eller som ble dannet av kjempenedslaget som sannsynligvis ga Uranus den store aksehelningen. Den nøyaktige sammensetningen av denne subtåken er ikke kjent, men den høyere tettheten til Uranus' måner sammenlignet med Saturns måner indikerer at den kan ha vært relativt fattig på vann. Betydelige mengder karbon og nitrogen kan og ha vært til stede i form av karbonmonoksid (CO) og molekylært nitrogen (N₂) i stedet for metan og ammoniakk. Månene som ble dannet i en slik subtåke ville inneholdt mindre frossent vann (med CO og N₂ fanet som klatrater) og mer stein, noe som forklarer den høyere tettheten.
Akkresjonsporsessen varte sannsynligvis i flere tusen år før månen fulldannet. Modeller antyder at nedslag som følge av akkresjonen gjorde at Ariels ytre lag ble varmet opp, og at de nådde en temperatur på rundt 195 K i en dybde på 31 km. Etter at dannelsesprosessen var ferdig, ble det ytre laget avkjølt mens det indre av Ariel ble varmet opp på grunn av radioaktive grunnstoffer i bergartene. Det avkjølende ytre laget trakk seg sammen, samtidig som det indre ekspanderte. Dette forårsaket strekkspenninger i månens skorpe – estimert til 30 MPa – og kan ha ført til oppsprekking. Noen av sprekkene som finnes på Ariel i dag kan være et resultat av denne prosessen, som varte i omtrent 200 millioner år.
Den opprinnelige akkresjonsoppvarmingen sammen med det kontinuerlige henfallet av radioaktive grunnstoffer, og sannsynligvis tidevannsoppvarming, kan ha ført til smeling av isen dersom der fantes en kjølevæske som ammoniakk (i form av ammoniumhydrat) eller salt. Smeltingen kan ha ført til separasjonen av is fra bergartene og dannelsen av en steinete kjerne omgitt av en isete mantel. Et lag av flytende vann (hav) rikt på oppløst ammoniakk kan ha dannet grensen mellom kjernen og mantelen. Den eutektiske temperaturen til denne blandingen er 176 K. Dette havet har sannsynligvis frosset igjen for lenge siden. Frysingen av vannet førte sannsynligvis til utvidelsen av det indre, som igjen kan ha ført til dannelsen av daler og utslettelsen av den gamle overflaten. Væsken fra havet kan ha vært i stand til å sluppe ut gjennom overflaten og oversvømme bunnen av daler gjennom en prosess kjent som kryovulkanisme.
Termisk modellering av Saturn-månen Dione, som ligner Ariel i størrelse, tetthet og overflatetemperatur, antyder at fastfase-konveksjonen kan ha vart i Ariels indre i milliarder av år, og at temperaturer i overkant av 173 K (smeltepunktet for vandig ammoniakk) kan ha vedvart nær overflaten i flere hundre millioner år etter dannelsen, og nesten en milliard år nærmere kjernen.

Observasjon og utforskning

Ariels tilsynelatende størrelsesklasse er 14,4, lignende det Pluto har nær perihelium. Men selv om Pluto kan ses gjennom et teleskop med en 30 cm irisblender, gjør nærheten til Uranus og gjenskinnet fra planeten at Ariel ofte er usynlig selv teleskoper med 40 cm irisblender.
Det eneste nærbildet ble tatt av Voyager 2-sonden da den fotograferte månen under sin forbiflyvning av Uranus i januar 1986. På det nærmeste var Voyager 2 127 000 km unna Ariel – betydelig nærmere enn den var noen av de andre Uranus-månene, med unntak av Miranda. De beste bildene av satellitten har en optisk oppløsning på 2 km.  De dekker omtrent 40 % av overflaten, men bare 35 % ble fotografert med den kvaliteten som kreves for geologisk kartlegging og kratertelling.
På tidspunktet for forbiflyvningen var den sørlige halvkulen på Ariel (akkurat som de andre Uranus-månene) vendt mot solen, slik at den nordlige (mørke) halvkulen ikke kunne studeres. Ingen andre romsonder har noensinne besøkt Uranus-systemet, og per 2010 er ingen oppdrag til Uranus og månene planlagt. Muligheten for å sende Cassini-sonden til Uranus ble vurdert i planleggingsfasen for forlengelsen av oppdraget. Det ville i så tilfelle ha tatt sonden 20 år å komme seg fra Saturn til Uranus-systemet.

Passasjer

26. juli 2006 fanget Hubble-teleskopet en sjelden passering mellom der Ariel passerte Uranus. Passeringen kastet en skygge på planeten som var synlig i skytoppene. Slike hendelser er sjeldne, og oppstår bare rundt jevndøgn når satellittens baneplan rundt Uranus heller 98° mot Uranus baneplan rundt solen. En annen passasje i 2008 ble registrert av det europeiske sørobservatorium.