Vệ tinh tự nhiên của Sao Thiên Vương

Sao Thiên Vương, hành tinh thứ bảy trong Hệ Mặt Trời, hiện tại có 27 vệ tinh, tất cả được đặt tên theo các nhân vật từ các tác phẩm của William Shakespeare và Alexander Pope. William Herschel đã khám phá hai vệ tinh đầu tiên, Titania và Oberon, vào năm 1787, và các vệ tinh hình cầu (Ariel và Umbriel) đã được William Lassell phát hiện năm 1851, (Miranda) được Gerard Kuiper phát hiện năm 1948. Các vệ tinh còn lại được phát hiện sau năm 1985, hoặc là trong sứ mệnh bay ngang qua của Voyager 2 hoặc bởi sự hỗ trợ của kính thiên văn đặt trên Trái Đất.
Vệ tinh Sao Thiên Vương được chia thành ba nhóm: mười ba vệ tinh vòng trong, năm vệ tinh lớn, và chín vệ tinh dị hình. Vệ tinh vòng trong là những thiên thể nhỏ và tối chia sẻ chung nguồn gốc và tính chất với vành đai hành tinh. Năm vệ tinh lớn có khối lượng đủ để đạt được trạng thái cân bằng thuỷ tĩnh, và bốn trong số đó có dấu hiệu quá trình dịch chuyển nội lực để hình thành các hẻm núi và núi lửa trên bề mặt. Vệ tinh lớn nhất trong năm vệ tinh, Titania, có đường kính 1.578 km và là vệ tinh lớn thứ tám trong Hệ Mặt Trời, có khối lượng nhỏ hơn 20 lần Mặt Trăng. Các vệ tinh dị hình của Sao Thiên Vương nằm ở xa hành tinh có quỹ đạo elip và độ nghiêng quỹ đạo của chúng lớn, đồng thời chuyển động ngược chiều với chiều tự quay của hành tinh.

Khám phá

Hai vệ tinh đầu tiên được phát hiện, Titania và Oberon, được Ngài William Herschel phát hiện vào ngày 11 tháng 1, 1787, sáu năm sau khi ông phát hiện hành tinh chính. Sau đó, Herschel nghĩ ông đã phát hiện thêm sáu vệ tinh (xem phía dưới) và có lẽ là cả một vành đai. Trong gần 50 năm, dụng cụ của Herschel là thứ duy nhất nhìn thấy các vệ tinh này. Trong những năm 1840, các công cụ tốt hơn và vị trí thuận lợi hơn của Sao Thiên Vương trên bầu trời đã dẫn đến các chỉ dẫn rời rạc về các vệ tinh khác ngoài Titania và Oberon. Cuối cùng, hai vệ tinh tiếp theo, Ariel và Umbriel, đã được phát hiện bởi William Lassell vào năm 1851. Đề án đánh số La Mã cho các vệ tinh Sao Thiên Vương ở trong tình trạng thay đổi liên tục trong một thời gian đáng kể và trong các ấn phẩm vì sự không thống nhất giữa cách đặt tên của Herschel (với Titania và Oberon gọi là Uranus II và IV) và của William Lassell (đôi khi chúng được gọi là I và II). Với sự xác nhận về Ariel và Umbriel, Lassell đánh số các vệ tinh từ I đến IV từ Sao Thiên Vương trở ra, và đây là cách đánh số được xem là chuẩn. Năm 1852, con trai Herschel là John Herschel đã đề xuất tên cho bốn vệ tinh này và vẫn còn được sử dụng đến ngày nay.
Không có thêm một khám phá nào khác trong suốt gần một thế kỉ. Năm 1948, Gerard Kuiper ở Đài thiên văn McDonald đã khám phá ra vệ tinh nhỏ nhất trong số năm vệ tinh lớn hình cầu, Miranda. Nhiều thập kỉ sau, chuyến bay ngang qua của tàu thăm dò không gian Voyager 2 vào tháng 1 năm 1986 dẫn đến sự khám phá thêm 10 vệ tinh vòng trong. Một vệ tinh khác, Perdita, được khám phá năm 1999 sau khi nghiên cứu các bức ảnh cũ của Voyager.
Sao Thiên Vương là hành tinh khổng lồ cuối cùng không còn vệ tinh dị hình nào được biết, nhưng từ năm 1997 chín vệ tinh dị hình vòng ngoài ở xa đã được xác định bằng kính thiên văn đặt trên mặt đất. Hai vệ tinh vòng trong khác, Cupid và Mab, đã được khám phá bởi Kính viễn vọng không gian Hubble năm 2003. Margaret là vệ tinh cuối cùng của Sao Thiên Vương được khám phá cho đến năm 2008, các kết quả tìm kiếm của nó được công bố vào tháng Mười 2003.

Vệ tinh giả

Sau khi Herschel phát hiện Titania và Oberon vào 11 tháng 1 năm 1787, ông tin rằng ông đã tìm thấy thêm bốn vệ tinh khác; hai vệ tinh vào ngày 18 tháng 1 và 9 tháng 2, 1790, và hai vệ tinh khác vào ngày 28 tháng 2 và 26 tháng 3, 1794. Do đó trong nhiều thập kỉ, người ta tin rằng Sao Thiên Vương là một hệ thống với sáu vệ tinh, dù bốn vệ tinh sau chưa bao giờ được xác nhận bởi các nhà thiên văn khác. Tuy nhiên, nhờ vào các quan sát của Lassell năm 1851, khi ông phát hiện Ariel và Umbriel, đã phủ nhận các quan sát của Herschel; các vệ tinh Ariel và Umbriel, mà Herschel nhất định phải quan sát thấy chúng nếu ông tìm thấy bất kì vệ tinh nào khác bên cạnh Titania và Oberon, không tương ứng với bất kì đặc điểm quỹ đạo nào trong bốn vệ tinh của Herschel. Bốn vệ tinh giả của Herschel được cho là có chu kỳ quỹ đạo là 5,89 ngày (nằm phía trong Titania), 10,96 ngày (nằm giữa Titania và Oberon), 38,08 và 107,69 ngày (nằm phía ngoài Oberon). Do đó bốn vệ tinh của Herschel được kết luận là giả mạo, có lẽ chúng phát sinh từ sai lầm nhận dạng các ngôi sao nhỏ nằm trong vùng lân cận Sao Thiên Vương như là các vệ tinh, và Lassell được công nhận là người phát hiện ra Ariel và Umbriel.

Đặc điểm và các nhóm

Hệ thống vệ tinh Sao Thiên Vương có khối lượng nhỏ nhất trong số các hành tinh khí khổng lồ; thực vậy, tổng khối lượng của năm vệ tinh chính ít hơn một nửa khối lượng của một mình Triton (vệ tinh lớn thứ bảy trong Hệ Mặt Trời). Vệ tinh lớn nhất trong hệ, Titania, có bán kính khoảng 788,9 km, hay nhỏ hơn một nửa Mặt Trăng, nhưng nặng chỉ hơn nửa Rhea, vệ tinh lớn thứ hai của Sao Thổ, khiến Titania trở thành vệ tinh lớn thứ tám trong Hệ Mặt Trời. Sao Thiên Vương nặng gấp 10.000 lần khối lượng các vệ tinh của nó.

Vệ tinh lớn

Sao Thiên Vương có năm vệ tinh lớn: Miranda, Ariel, Umbriel, Titania và Oberon. Phạm vi đường kính của chúng từ 472 km như Miranda tới 1578 km như Titania. Tất cả các vệ tinh lớn đếu là các thiên thể tương đối tối: suất phản chiếu hình học của chúng thay đổi trong phạm vị 30–50%, trong khi suất phản chiếu liên kết nằm trong khoảng 10–23%. Umbriel là vệ tinh tối nhất và Ariel là vệ tinh sáng nhất. Khối lượng các vệ tinh nằm trong khoảng 6,7 × 10¹⁹ kg (Miranda) tới 3,5 × 10²¹ kg (Titania)—nếu so sánh, Mặt Trăng của Trái Đất có khối lượng là 7,5 × 10²² kg. Các vệ tinh chính của Sao Thiên Vương được tin là được hình thành trong một đĩa bồi tụ, tồn tại xung quanh Sao Thiên Vương trong thời kì đầu.
Tất cả các vệ tinh chính bao gồm đồng đều đá và băng, trừ Miranda, được cấu tạo phần lớn từ băng. Thành phần của băng có thể bao gồm amoniac và carbon dioxit. Bề mặt của chúng là các miệng hố lớn, dù tất cả chúng (trừ Umbriel) cho thấy dấu hiệu nội sinh tái tạo bề mặt trong hình dạng các đường nét (hẻm núi) và, trong trường hợp của Miranda, là các cấu trúc được gọi là coronae. Sự mở rộng tiến trình liên kết với các nếp uốn diapir hướng lên có thể chịu trách nhiệm về nguồn gốc của coronae. Bề mặt của vệ tinh Ariel là trẻ nhất với rất ít hố va chạm, trong khi đó bề mặt của Umbriel lại dường như là già nhất. Các nhà thiên văn cho rằng có một quỹ đạo cộng hưởng 3:1 trong quá khứ giữa Miranda và Umbriel và một quỹ đạo cộng hưởng khác 4:1 giữa Ariel và Titania có thể phù hợp cho hoạt động năng lượng nội sinh phát ra nhiệt của Miranda và Ariel. Một chứng cớ cho những quỹ đạo cộng hưởng trong quá khứ đó là độ nghiêng quỹ đạo rất lớn không bình thường của Miranda đối với các thiên thể gần hành tinh. Các vệ tinh lớn nhất của nhất của Sao Thiên Vương có cấu tạo bên trong rất khác nhau, với các nhân đá tại tâm của chúng được bao bọc bởi các lớp phủ băng. Titania và Oberon có thể chứa các đại dương chất lỏng tại ranh giới nhân và lớp phủ. Các vệ tinh chính của Sao Thiên Vương không có bầu khí quyển. Ví dụ, Titania nếu tồn tại bầu khí quyển thì áp suất bầu khí quyển của nó chỉ không lớn hơn 10–20 nanobar.
Khi quan sát sự di chuyển của Mặt Trời trên bầu trời và trong những ngày cục bộ ở Sao Thiên Vương và các vệ tinh chính của nó trong quá trình chúng ở chí điểm (so với Sao Thiên Vương và so với Mặt Trời) là rất khác so với khi nhìn ở những nơi khác trong Hệ Mặt Trời. Các vệ tinh chính có trục quay song song với trục quay của Sao Thiên Vương. Mặt Trời hiện trên một đường tròn xung quanh thiên cực của Sao Thiên Vương trên bầu trời, với điểm gần nhất cách cực 7 độ. Gần đường xích đạo, có thể nhìn Mặt Trời gần ở phía nam hoặc phía bắc (phụ thuộc vào mùa). Tại những vĩ độ lớn hơn 7°, Mặt Trời sẽ đi theo một đường tròn với đường kính 15 độ trên bầu trời, và không bao giờ lặn.