научная статья по теме ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БОЛЬШИХ СПУТНИКОВ УРАНА Астрономия

Текст научной статьи на тему «ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БОЛЬШИХ СПУТНИКОВ УРАНА»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 3, с. 204-222

УДК 523.47

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БОЛЬШИХ СПУТНИКОВ УРАНА

© 2007 г. В. В. Аврамчук, В. К. Розенбуш, Т. П. Бульба

Главная астрономическая обсерватория Национальной академии наук, Украина Поступила в редакцию 15.08.06 г. После исправления 26.09.2006 г.

Данная работа представляет анализ результатов фотометрических наблюдений больших спутников Урана Миранды, Ариэля, Умбриэля, Титании и Оберона, полученных наземными и космическими средствами. Все имеющиеся в литературе ряды фотометрических наблюдений спутников были исследованы на однородность, систематические различия и сведены в единую выборку по длинам волн от 0.25 до 2.4 мкм в диапазоне фазовых углов 0.034°-35°. Построены составные фазовые кривые яркости спутников в спектральных полосах 0.25, 0.41, 0.48, 0.56, 0.75, 0.91, 1.4 и 1.8 мкм, которые включают оппозиционный эффект яркости и линейную часть. Найдено геометрическое альбедо каждого спутника с учетом оппозиционного эффекта яркости в разных спектральных полосах и исследована его зависимость от длины волны. Показано, что отражательные способности спутников на разных фазовых углах зависят от длины волны линейным образом, но имеют разные спектральные градиенты. Определены параметры фазовых кривых яркости, включающие амплитуду и угловую ширину оппозиционного пика яркости, фазовый коэффициент и фазовый угол начала нелинейного увеличения яркости, и проведен анализ их зависимостей от длины волны и геометрического альбедо. Наши исследования показывают, что по оптическим свойствам спутники Миранда и Ариэль, Титания и Оберон и Умбриэль представляют три типа поверхностей. В рамках механизмов когерентного усиления обратного рассеяния света и взаимного затенения частиц проведен сравнительный анализ наблюдаемых параметров оппозиционного эффекта яркости спутников Урана с параметрами этого эффекта ледяных спутников Юпитера и Сатурна и астероидов Е- и 8-типов.

РАС8: 96.30.Qk, 96.12.-a, 96.30.Bc

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных дистанционных методов исследования безатмосферных космических тел Солнечной системы (БКТ) является изучение изменений их яркости в зависимости от фазового угла. Фазовые кривые яркости и зависимость их параметров от длины волны определяются механизмами рассеяния света и связаны с физическими свойствами рассеивающих сред. Такими свойствами являются состав, размеры, форма, структура и другие характеристики частиц, составляющих оптически активный слой поверхностей БКТ. Сравнивая данные наблюдений с результатами теоретического моделирования и лабораторных измерений, можно определить наиболее вероятный состав, структуру и некоторые другие характеристики поверхности БКТ. Однако для такого сравнения необходимо иметь достаточно полные фазовые кривые яркости, которые включали бы наблюдения в широком диапазоне фазовых углов и длин волн. В настоящее время особое внимание уделяется изучению свойств рассеянного излучения в области малых фазовых углов, а < ~30°. Эта область является принципиально важной не только для определения физических свойств среды, но и для изучения механизмов рассеяния света. Именно в области малых фазовых углов

наблюдается такая особенность рассеянного излучения, как фотометрический оппозиционный эффект, т.е. нелинейное увеличение яркости при стремлении фазового угла к нулю, механизмы формирования которого до конца не ясны. Совершенно разные по своей природе БКТ, а также кольца планет, кометная и межпланетная пыль демонстрируют, хотя и в разной степени, оппозиционный эффект. К сожалению, фотометрические наблюдения в области оппозиции для большинства БКТ крайне ограничены.

Максимально доступный для наблюдений с Земли фазовый угол для системы Урана составляет всего около 3°. Тем не менее для некоторых больших спутников Урана удалось обнаружить оппозиционное увеличение яркости и определить его характеристики. Однако остается открытым вопрос о том, насколько точно из наземных наблюдений может быть определена угловая ширина оппозиционного эффекта яркости, поскольку неизвестно начало нелинейного увеличения яркости. Благодаря использованию космических средств для исследования больших спутников Урана, диапазон фазовых углов был значительно расширен как в сторону экстремально малых, так и в сторону больших фазовых углов, и, что важно,

в разных участках спектра. Однако детальное исследование фотометрических свойств спутников во всем имеющемся диапазоне фазовых углов и длин волн не было проведено.

Настоящая работа представляет собой анализ всех имеющихся фотометрических данных о больших спутниках Урана Миранды, Ариэля, Умбриэ-ля, Титании и Оберона, сведение их в единую систему, построение фазовых кривых яркости в разных спектральных полосах и определение их параметров. Данное исследование позволило определить некоторые оптические свойства больших спутников Урана.

ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДЫДУЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Большие спутники Урана Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон движутся в радиационных поясах магнитосферы планеты, что приводит к постоянной бомбардировке поверхности спутников заряженными частицами (Bergstralh и др., 1991; Miner, 1998; Schmitt и др., 1998). Длительная бомбардировка поверхности заряженными частицами приводит к разрушению сорбированных на ней углеродсодержащих молекул (возможно, метана, хотя он не обнаружен на спутниках Урана) и к высвобождению углерода, придающего поверхности темный цвет. Плотности спутников (в среднем 1.4 г/см3) указывают на то, что водяной лед (по массе больше чем 50%) является основной компонентой этих тел. Другие летучие и нелетучие вещества могут быть смешаны с водяным льдом. При температурах на поверхности спутников Урана в среднем 55-60 К, водяной лед меняет свою структуру и становится очень твердым. Довольно низкие и различающиеся значения геометрического альбедо больших спутников Урана свидетельствуют о том, что на их поверхностях льды загрязнены, причем в разной степени, нелетучими веществами с низким альбедо. Нельзя однозначно сказать какой материал ответственный за потемнение поверхностей спутников, кроме того, что он должен быть спектрально нейтральным, так как наблюдаемые спектры в видимой области являются плоскими.

Морфология и состав поверхностей

Единственный космический аппарат (КА), который исследовал систему Урана с близкого расстояния, был КА Voyager-2. Во время пролета КА через систему Урана в январе 1986 г. были получены изображения больших спутников Миранды, Ариэля, Умбриэля, Титании и Оберона на разных фазовых углах и в нескольких участках спектра. Полученные с высоким разрешением изображения спутников выявили уникальные свойства поверхностей, которые значительно отличаются от

хорошо изученных спутников Юпитера и Сатурна. Ариэль, Миранда, Титания и Оберон - это спутники, которые показывают как глобальную тектоническую активность, так и обширные "вулканические" излияния, которые произошли после последней интенсивной метеоритной бомбардировки. Детальное описание морфологических свойств поверхностей спутников Урана можно найти в работах (Bergstralh и др., 1991; Miner, 1998; Schmitt и др., 1998).

Миранда. Несмотря на маленький размер (диаметр 472 км), поверхность самого близкого к Урану спутника Миранда представляет уникальное разнообразие всех геологических форм, которые встречаются в Солнечной системе, со следами внутренней тектонической активности. Кроме того, имеются явные отклонения от правильной шарообразной формы. Изображения КА Voyager-2 показали странную поверхность с древними сильно кратерированными участками, пересеченными длинными и глубокими каньонами с очень контрастным рельефом. Между ними находятся три образования в виде "распаханного" поля, названные коронами, которые занимают почти половину поверхности спутника. Эти образования представляют собой полосы из параллельных или пересекающихся светлых и темных борозд, практически без кратеров, что указывает на их относительную молодость. Создается впечатление, что вещество на этих участках текло сверху по более старой кратерированной поверхности. Это предполагает, что поверхность после формирования спутника менялась вследствие каких-то тепловых процессов. Причинами такой обширной геологической активности на таком маленьком теле, как Миранда, могут быть как внутреннее натяжение поверхности вследствие приливных сил Урана, так и присутствие внешнего слоя оболочки из материала с очень низкой теплопроводностью, что привело к изоляции источника внутреннего радиоактивного нагрева. Это, в свою очередь, могло привести к нагреванию, тепловому расширению и частичному расплавлению вещества внутри спутника.

Миранда является ледяным телом. Плотность Миранды 1.15 г/см3 предполагает, что ее внутренние слои в основном также состоят из водяного льда с примесью примерно 20%-40% по массе скальных пород. Однако, если материал корон действительно сформирован вследствие извержения лавоподобного вещества, т.е. вещества высокой пластичности, то это означает, что водяной лед должен содержать, по крайней мере, небольшое количество примесей, так как чистый водяной лед имеет низкую пластичность. Анализ результатов спектральных и фотометрических наблюдений указывает на то, что поверхность Миранды в основном состоит из водяного льда с большой долей углеродистых или силикатных

примесей. Предполагается также присутствие аммиака или аммиакосодержащих веществ, в частности, гидратированного аммиака (NH3 • H2O), на уровне 3% по массе. Смесь водяного льда с такими компонентами, как аммиак и метанол, имеет достаточно высокую пластичность и низкую температуру плавления. Такая ледяная вязкая лава с температурой около -120°C должна извергаться на поверхность в результате так называемого низкотемпературного "вулканизма". На поверхности ее температура падает примерно до -190°C, при которой водяной лед меняет структуру и формирует разнообразные морфологические образования на поверхности.

Обнаруженный по наземным (Brown, Cruiks-hank, 1983; Goguen и др., 1989; Buratti и др., 1992) и космическим (Karkoschka, 2001) наблюдениям сильный оппозиционный всплес

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком