Umbriel (måne)

Oppdagelse og navn

Umbriel ble, sammen med Ariel, oppdaget av William Lassell 24. oktober 1851. Selv om William Herschel, oppdageren av Titania og Oberon, mot slutten av det 18. århundre hevdet å ha observert ytterligere fire Uranus-måner, ble hans observasjoner aldri bekreftet og de fire objektene antas nå å være feilaktige observasjoner.
Alle Uranus-månene er oppkalt etter skikkelser av William Shakespeare eller Alexander Pope. Navnene for alle de fire Uranus-månene som til da var kjent ble foreslått av John Herschel i 1852, på forespørsel fra Lassell. Umbriel er den 'mørke melankolske ånden' i Alexander Popes The Rape of the Lock, og navnet gjenspeiler det latinske umbra, som betyr skygge. Umbriel er også betegnet Uranus II.

Bane

Umbriel går i bane rundt Uranus i en avstand av ca. 266 000 km, og ligger med det tredje lengst unna planeten av de fem store måner. Umrbiels bane har en liten eksentrisitet og er svært lite inklinert i forhold til Uranus' ekvator. Omløpsperioden er ca. 4,1 jorddøgn, samsvarende med rotasjonsperioden. Det vil si at Umbriel er en synkron eller bundet satellitt, med den ene siden alltid vendt modt moderlegemet. Banen til Umbriel ligger i sin helhet på innsiden av Uranus' magnetosfære. Dette er viktig, fordi den bakre halvkulen til lufttomme satellitter som går i bane innenfor en magnetosfære (slik som Umbriel) treffes av magnetosfærisk plasma som roterer med planeten. Dette bombardementet kan føre til at den bakre halvkulen blir mørkere, noe som faktisk er observert for alle Uranus-månene med unntak av Oberon (se under). Umbriel fungerer også som en samlekum for magnetosfærisk ladde partikler, noe som fører til et markant fall i energetisk partikkelmengde nær månens bane. Dette ble observert av Voyager 2 i 1986.
Siden Uranus går i bane rundt solen nesten liggende på siden, og månene går i bane rundt planetens ekvatorplan, gjennomgår de – Umrbiel inkludert – ekstreme sesongmessige variasjoner. Både de nordlige og sørlige polene tilbringer 42 år i komplett mørkre og deretter 42 år i kontinuerlig sollys, der solen stiger opp nær senit over en av polene ved hvert solverv. Voyager 2s forbiflyvning i 1986 sammenfalt med den sørlige halvkulens solverv, samtidig som nesten hele den nordlige halvkulen lå mørklagt. Hvert 42. år, når Uranus har et jevndøgn og ekvatorplanet skjærer jorden, kan det oppstå gjensidige okkultasjoner av Uranus' måner. I 2007–2008 ble en rekke slike hendelser observert, inkludert to der Umbriel okkulterte Titania den 15. august og 8. desember 2007. I tillegg ble det observert at Umrbiel okkulterte Ariel 19. august samme år.
Umrbiel er ikke kjent å være en del av noen baneresonans med andre Uranus-måner. Tidligere i historien, derimot, kan den ha vært en del av en 1:3-resonans med Miranda. Dette ville i tilfelle ha bidratt til å øke Mirandas baneeksentrisitet og ført til indre oppvarming og geologisk aktivetet der. Samtidig ville Umbriels bane ha blitt mindre påvirket. På grunn av Uranus' lave flattrykthet og mindre størrelse i forhold til sine satellitter, kan månene lettere slippe unna en baneresonans enn hva månene til Jupiter og Saturn kan. Etter at Miranda forlog resonansen – gjennom en mekanisme som sannsynligvis resulterte i den høye baneinklinasjonen – ville eksentrisiteten ha blitt dempet, og varmekilden ville ha blitt borte.

Sammensetning og indre struktur

Umbriel er den tredje største og fjerde mest massive av Uranus-månene. Månens har en tetthet på 1,39 g/cm³, og dette indikerer at den primært består av vannholdig is og av en ikke-is-komponent som utgjør rundt 40 % av massen. Sistnevnte kan bestå av bergarter og karbonholdige materialer inkludert tunge organiske forbindelser, kjent som tholiner. Tilstedeværelsen av vann støttes av observasjoner via infrarød spektroskopi, som har avslørt krystallinsk vannholdig is på overflaten av Umbriel. Absorpsjonsbandene til vannholdig is er sterkere på Umbriels førende halvkule enn hva det er på den bakre. Grunnen til dette er ikke kjent, men den kan være relatert til bombardementet av ladde partikler fra Uranus' magnetosfære, som er sterkere på den førende halvkulen – på grunn av plasmaens med-rotasjon. De energetiske partiklene synes ofte å frese opp vannholdig is. Samtidig brytes løs metan fanget i is som klatrathydrater og formørker andre organiske stoffer, og mørke, karbonrike rester blir igjen.
Med unntak av vann, er karbondioksid den eneste sammensetningen som har blitt identifisert på Umbriels overflate ved hjelp av infrarød spektroskopi, og denne er primært beliggende på den bakre halvkulen. Opprinnelsen til denne karbondioksiden er ikke helt klar, men den kan ha blitt dannen lokalt fra karbonater eller organiske materialer under påvirkning av de energitske partiklene som kommer fra Uranus' magntosfære eller solens ultrafiolette stråling. Denne hypotesen kunne forklart asymmetrien i fordelingen, siden den bakre halvkulen er gjenstand for en mer intens magnetosfærisk påvirkning enn den førende. En annen mulig kilde er utgassing av primordial CO₂ fanget i vannholdig is i det indre av Umrbiel. Utgassingen av CO₂ fra månens indre kan være et resultat av tidligere geologisk aktivitet på Umbriel.
Umbriels massen kan være differensiert i en kjerne omgitt av en isete mantel. Hvis dette er tilfelle, er radien av kjernen (317 km) rundt 54 % av totalradien til månen, og massen er ca. 40 % av totalen – beregnet ut ifra månens sammensetning. Trykket i sentrum av Umbriel ligger på ca. 0,24 GPa (2,4 kbar). Tilstanden til ismantelen er ukjent, men eksistensen av et underjordisk ishav anses å være usannsynlig.

Opprinnelse og utvikling

Umbriel antas å ha blitt dannet fra en akkresjonsskive eller subtåke, det vil si en skive av gass og støv som enten eksisterte rundt Uranus i en tid etter planetdannelsen eller ble dannet av et kjempenedslag som mest sannsynlig førte til Uranus' skjevhet. Den nøyaktige sammensetningen av subtåken er ikke kjent. Den relativt høye tettheten til Umbriel, og andre Uranus-måner, sammenlignet med Saturns måner indikerer imidlertid at den kan ha vært relativt fattig på vann. Betydelige mengder karbon og nitrogen kan 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 vannholdig is (med CO og N₂ fanget som klatrat) og mer bergarter – noe som kunne forklart den høyere tetheten.
Umbriels akkresjon varte sannsynligvis i flere hundretusener år, og nedslagene som fulgte med akkresjonen gjorde at månens ytre lag ble varmet opp. Den høyeste temperaturen på rundt 180 K (−93 °C) ble nådd i en dybde på ca. 3 km. Etter at månen var ferdig dannet, ble lagene under overflaten avkjølt, mens det indre av Umbriel ble varmet opp av henfall av radioaktive grunnstoffer som fantes i bergartene. Lagene som ble avkjølt nær overflaten trakk seg så sammen, samtidig som det indre utvidet seg. Dette førte til sterk spenning i månens overflate, noe som igjen kan ha ført til oppsprekking. Denne varte sannsynligvis i omtrent 200 millioner år, og antyder at enhver endogen aktivitet fra dette opphørte milliarder av år siden.
Den opprinnelige akkresjonsoppvarmingen sammen med kontinuerlig henfall av radioaktive grunnstoffer var sannsynligvis tilstrekkelig til å smelte isen, hvis der samtidig fantes noen form for «frostvæske» (i form av ammoniakkhydrat) eller noen salter. Ytterligere smelting kan ha ført til at isen skilte seg fra bergartene og dannelsen av en kjerne av bergarter og en mantel av is. Et lag av flytende vann ('hav') rikt på oppløst ammoniakk kan ha blitt dannet i skillet mellom kjernen og mantelen. Den eutektiske temperaturen til denne blandingen er 176 K (−97 °C) Havet har sannsynligvis frosset til for lenge siden. Blant Uranus' måner er Umbriel minst utsatt for overflatefornyelse, selv om den gjennomgikk en slik prosess tidlig i historien.

Utforskning

Så langt, er de eneste nærbildene tilgjengelig de som ble tatt av Voyager 2-sonden under dens forbiflyvning av Uranus i januar 1986. Siden sondens nærmeste passering av Umbriel var 325 000 km, har de beste bildene en grov oppløsning på ca. 5,2 km. Bildene dekker ca. 40 % av overflaten, men bare 20 % av overflaten ble avbildet med en kvalitet som muliggjør geologisk kartlegging. På tidspunktet for forbiflyvningen stod den sørlige halvkulen rett mot solen, så den mørklagte nordlige halvkulen kunne ikke kartlegges. Ingen andre romfartøyer har besøkt Uranus-systemet, og ingen andre oppdrag er planlagt dit i overskuelig fremtid.