Umbriel (luna)

Umbriel es una luna de Urano descubierta el 24 de octubre de 1851 por William Lassell. Fue descubierto al mismo tiempo que Ariel y lleva el nombre de un personaje del poema de Alexander Pope de 1712 The Rape of the Lock. Umbriel se compone principalmente de hielo con una fracción sustancial de roca y puede diferenciarse en un núcleo rocoso y un manto helado. La superficie es la más oscura entre las lunas de Urano y parece haber sido formada principalmente por impactos. Sin embargo, la presencia de cañones sugiere procesos endógenos tempranos, y la luna puede haber sufrido un evento de resurgimiento temprano impulsado por endógenos que destruyó su superficie más antigua.

Cubierto por numerosos cráteres de impacto que alcanzan los 210 km (130 mi) de diámetro, Umbriel es el segundo satélite de Urano con más cráteres después de Oberón. La característica superficial más prominente es un anillo de material brillante en el suelo del cráter Wunda. Esta luna, como todas las lunas de Urano, probablemente se formó a partir de un disco de acreción que rodeó al planeta justo después de su formación. El sistema de Urano ha sido estudiado de cerca solo una vez, por la nave espacial Voyager 2 en enero de 1986. Tomó varias imágenes de Umbriel, lo que permitió mapear alrededor del 40% de la superficie de la luna.

Descubrimiento y nombre

Umbriel, junto con otro satélite de Urano, Ariel, fue descubierto por William Lassell el 24 de octubre de 1851. Aunque William Herschel, el descubridor de Titania y Oberón, afirmó a fines del siglo XVIII que había observado cuatro lunas adicionales de Urano, sus observaciones no fueron confirmadas y ahora se cree que esos cuatro objetos son falsos.

Todas las lunas de Urano llevan el nombre de personajes creados por William Shakespeare o Alexander Pope. Los nombres de los cuatro satélites de Urano conocidos entonces fueron sugeridos por John Herschel en 1852 a pedido de Lassell. Umbriel es el "sprite melancólico oscuro" en The Rape of the Lock de Alexander Pope, y el nombre sugiere el latín umbra, que significa sombra. La luna también se designa como Urano II.

Órbita

Umbriel orbita alrededor de Urano a una distancia de aproximadamente 266 000 km (165 000 mi), siendo la tercera más alejada del planeta entre sus cinco lunas principales. La órbita de Umbriel tiene una pequeña excentricidad y está muy poco inclinada con respecto al ecuador de Urano. Su período orbital es de alrededor de 4,1 días terrestres, coincidiendo con su período de rotación. En otras palabras, Umbriel es un satélite sincrónico o bloqueado por mareas, con una cara siempre apuntando hacia su planeta padre. La órbita de Umbriel se encuentra completamente dentro de la magnetosfera de Urano. Esto es importante porque los hemisferios posteriores de los satélites sin aire que orbitan dentro de una magnetosfera (como Umbriel) son golpeados por el plasma magnetosférico, que co-rota con el planeta. Este bombardeo puede conducir al oscurecimiento de los hemisferios posteriores, lo que en realidad se observa en todas las lunas de Urano excepto Oberón (ver más abajo). Umbriel también sirve como sumidero de partículas cargadas magnetosféricas, lo que crea una caída pronunciada en el conteo de partículas energéticas cerca de la órbita de la luna, según lo observado por Voyager 2 en 1986.

Debido a que Urano orbita alrededor del Sol casi de costado, y sus lunas orbitan en el plano ecuatorial del planeta, ellas (incluyendo a Umbriel) están sujetas a un ciclo estacional extremo. Tanto el polo norte como el sur pasan 42 años en completa oscuridad y otros 42 años en luz solar continua, con el Sol saliendo cerca del cenit sobre uno de los polos en cada solsticio. El sobrevuelo de la Voyager 2 coincidió con el solsticio de verano de 1986 del hemisferio sur, cuando casi todo el hemisferio norte no estaba iluminado. Una vez cada 42 años, cuando Urano tiene un equinoccio y su plano ecuatorial se cruza con la Tierra, las ocultaciones mutuas de las lunas de Urano se vuelven posibles. En 2007-2008 se observaron varios eventos de este tipo, incluidas dos ocultaciones de Titania por parte de Umbriel el 15 de agosto y el 8 de diciembre de 2007, así como de Ariel por parte de Umbriel el 19 de agosto de 2007.

Actualmente, Umbriel no está involucrado en ninguna resonancia orbital con otros satélites de Urano. Al principio de su historia, sin embargo, puede haber tenido una resonancia de 1:3 con Miranda. Esto habría aumentado la excentricidad orbital de Miranda, contribuyendo al calentamiento interno y la actividad geológica de esa luna, mientras que la órbita de Umbriel se habría visto menos afectada. Debido al achatamiento más bajo de Urano y al tamaño más pequeño en relación con sus satélites, sus lunas pueden escapar más fácilmente de una resonancia de movimiento medio que las de Júpiter o Saturno. Después de que Miranda escapara de esta resonancia (a través de un mecanismo que probablemente resultó en su inclinación orbital anómalamente alta), su excentricidad se habría amortiguado, apagando la fuente de calor.

Composición y estructura interna

Comparación de tamaño de la Tierra, la Luna y Umbriel.

Umbriel es la tercera luna más grande y la cuarta más masiva de las lunas de Urano. Aunque Umbriel es la decimotercera luna más grande del Sistema Solar, es solo la decimocuarta más masiva. La densidad de la luna es de 1,39 g/cm³, lo que indica que se compone principalmente de hielo de agua, con un componente denso que no es hielo que constituye alrededor del 40 % de su masa. Este último podría estar hecho de roca y material carbonoso, incluidos compuestos orgánicos pesados conocidos como tolinas. La presencia de hielo de agua está respaldada por observaciones espectroscópicas infrarrojas, que han revelado hielo de agua cristalino en la superficie de la luna. Las bandas de absorción de hielo de agua son más fuertes en el hemisferio delantero de Umbriel que en el hemisferio trasero. Se desconoce la causa de esta asimetría, pero puede estar relacionada con el bombardeo de partículas cargadas de la magnetosfera de Urano, que es más fuerte en el hemisferio posterior (debido a la co-rotación del plasma). Las partículas energéticas tienden a chisporrotear hielo de agua, descomponen el metano atrapado en el hielo como hidrato de clatrato y oscurecen otros compuestos orgánicos, dejando atrás un residuo oscuro rico en carbono.

A excepción del agua, el único otro compuesto identificado en la superficie de Umbriel por la espectroscopia infrarroja es el dióxido de carbono, que se concentra principalmente en el hemisferio posterior. El origen del dióxido de carbono no está del todo claro. Puede ser producido localmente a partir de carbonatos o materiales orgánicos bajo la influencia de las partículas energéticas cargadas provenientes de la magnetosfera de Urano o la radiación ultravioleta solar. Esta hipótesis explicaría la asimetría en su distribución, ya que el hemisferio posterior está sujeto a una influencia magnetosférica más intensa que el hemisferio anterior. Otra posible fuente es la desgasificación del CO₂ primordial atrapado por el hielo de agua en el interior de Umbriel. El escape de CO₂ del interior puede ser el resultado de actividad geológica pasada en esta luna.

Umbriel puede diferenciarse en un núcleo rocoso rodeado por un manto helado. Si este es el caso, el radio del núcleo (317 km) es aproximadamente el 54 % del radio de la luna, y su masa es aproximadamente el 40 % de la masa de la luna; los parámetros los dicta la luna. 39;s composición. La presión en el centro de Umbriel es de aproximadamente 0,24 GPa (2,4 kbar). El estado actual del manto helado no está claro, aunque la existencia de un océano subterráneo se considera poco probable.

Características de la superficie

La superficie de Umbriel es la más oscura de las lunas de Urano y refleja menos de la mitad de la luz que Ariel, un satélite hermano de tamaño similar. Umbriel tiene un albedo de Bond muy bajo de solo alrededor del 10% en comparación con el 23% de Ariel. La reflectividad de la superficie de la luna disminuye del 26 % en un ángulo de fase de 0° (albedo geométrico) al 19 % en un ángulo de aproximadamente 1°. Este fenómeno se llama oleada de oposición. La superficie de Umbriel es de color ligeramente azul, mientras que los depósitos de impacto frescos y brillantes (en el cráter Wunda, por ejemplo) son aún más azules. Puede haber una asimetría entre los hemisferios anterior y posterior; el primero parece ser más rojo que el segundo. El enrojecimiento de las superficies probablemente se deba a la meteorización espacial por el bombardeo de partículas cargadas y micrometeoritos durante la edad del Sistema Solar. Sin embargo, la asimetría de color de Umbriel probablemente se deba a la acumulación de un material rojizo procedente de las partes exteriores del sistema de Urano, posiblemente de satélites irregulares, que se producirían predominantemente en el hemisferio delantero. La superficie de Umbriel es relativamente homogénea, no muestra una fuerte variación ni en el albedo ni en el color.

Hasta ahora, los científicos solo han reconocido una clase de característica geológica en Umbriel: los cráteres. La superficie de Umbriel tiene muchos más cráteres y más grandes que los de Ariel y Titania. Muestra la menor actividad geológica. De hecho, entre las lunas de Urano, solo Oberón tiene más cráteres de impacto que Umbriel. Los diámetros de los cráteres observados van desde unos pocos kilómetros en el extremo inferior hasta 210 kilómetros para el cráter más grande conocido, Wokolo. Todos los cráteres reconocidos en Umbriel tienen picos centrales, pero ningún cráter tiene rayos.

Cerca del ecuador de Umbriel se encuentra la característica superficial más prominente: el cráter Wunda, que tiene un diámetro de unos 131 km. Wunda tiene un gran anillo de material brillante en su piso, que puede ser un depósito de impacto o un depósito de hielo de dióxido de carbono puro, que se formó cuando el dióxido de carbono formado radiolíticamente migró de toda la superficie de Umbriel y luego quedó atrapado en un ambiente relativamente frío. Wunda. Cerca, vistos a lo largo del terminador, están los cráteres Vuver y Skynd, que carecen de bordes brillantes pero poseen picos centrales brillantes. El estudio de los perfiles de las extremidades de Umbriel reveló una posible característica de impacto muy grande con un diámetro de unos 400 km y una profundidad de aproximadamente 5 km.

Al igual que otras lunas de Urano, la superficie de Umbriel está cortada por un sistema de cañones que se extienden de noreste a suroeste. Sin embargo, no son reconocidos oficialmente debido a la baja resolución de las imágenes y la apariencia generalmente insulsa de esta luna, lo que dificulta el mapeo geológico.

La superficie llena de cráteres de Umbriel probablemente se ha mantenido estable desde el Bombardeo Intenso Tardío. Los únicos signos de la antigua actividad interna son cañones y polígonos oscuros: parches oscuros con formas complejas que miden de decenas a cientos de kilómetros de ancho. Los polígonos se identificaron a partir de la fotometría precisa de las imágenes de la Voyager 2' y están distribuidos más o menos uniformemente en la superficie de Umbriel, con una tendencia noreste-suroeste. Algunos polígonos corresponden a depresiones de unos pocos kilómetros de profundidad y pueden haber sido creados durante un episodio temprano de actividad tectónica. Actualmente no hay explicación de por qué Umbriel tiene una apariencia tan oscura y uniforme. Su superficie puede estar cubierta por una capa relativamente delgada de material oscuro (llamado material umbral) excavado por un impacto o expulsado en una erupción volcánica explosiva. Alternativamente, la corteza de Umbriel puede estar compuesta en su totalidad por el material oscuro, lo que impidió la formación de características brillantes como los rayos del cráter. Sin embargo, la presencia de la característica brillante dentro de Wunda parece contradecir esta hipótesis.

Origen y evolución

Imagen falsa de color de Umbriel mostrando polígonos

Se cree que Umbriel se formó a partir de un disco de acreción o subnebulosa; un disco de gas y polvo que existió alrededor de Urano durante algún tiempo después de su formación o que fue creado por el impacto gigante que muy probablemente le dio a Urano su gran oblicuidad. Se desconoce la composición precisa de la subnebulosa; sin embargo, la mayor densidad de lunas de Urano en comparación con las lunas de Saturno indica que puede haber sido relativamente pobre en agua. Es posible que cantidades significativas de nitrógeno y carbono estuvieran presentes en forma de monóxido de carbono (CO) y nitrógeno molecular (N₂) en lugar de amoníaco y metano. Las lunas que se formaron en una subnebulosa de este tipo contendrían menos hielo de agua (con CO y N₂ atrapados como clatrato) y más roca, lo que explicaría la mayor densidad.

La acumulación de Umbriel probablemente duró varios miles de años. Los impactos que acompañaron a la acreción causaron el calentamiento de la capa exterior de la luna. La temperatura máxima de alrededor de 180 K se alcanzó a una profundidad de unos 3 km. Después del final de la formación, la capa del subsuelo se enfrió, mientras que el interior de Umbriel se calentó debido a la descomposición de los elementos radiactivos presentes en sus rocas. La capa de enfriamiento cercana a la superficie se contrajo, mientras que el interior se expandió. Esto causó fuertes tensiones de extensión en la corteza lunar, lo que puede haber provocado el agrietamiento. Este proceso probablemente duró unos 200 millones de años, lo que implica que cualquier actividad endógena cesó hace miles de millones de años.

El calentamiento por acreción inicial junto con la descomposición continua de los elementos radiactivos puede haber provocado el derretimiento del hielo si hubiera un anticongelante como el amoníaco (en forma de hidrato de amoníaco) o alguna sal. El derretimiento pudo haber llevado a la separación del hielo de las rocas y la formación de un núcleo rocoso rodeado por un manto de hielo. Es posible que se haya formado una capa de agua líquida (océano) rica en amoníaco disuelto en el límite entre el núcleo y el manto. La temperatura eutéctica de esta mezcla es de 176 K. Sin embargo, es probable que el océano se haya congelado hace mucho tiempo. Entre las lunas de Urano, Umbriel fue la menos sujeta a procesos endógenos de renovación de la superficie, aunque es posible que, al igual que otras lunas de Urano, hayan experimentado un evento de renovación de la superficie muy temprano.

Exploración

El Voyager 2 naves espaciales

Hasta ahora, las únicas imágenes de primer plano de Umbriel han sido de la sonda Voyager 2, que fotografió la luna durante su sobrevuelo de Urano en enero de 1986. Desde la distancia más cercana entre la Voyager 2 y Umbriel estaba a 325 000 km (202 000 mi), las mejores imágenes de esta luna tienen una resolución espacial de aproximadamente 5,2 km. Las imágenes cubren alrededor del 40% de la superficie, pero solo el 20% fue fotografiado con la calidad requerida para el mapeo geológico. En el momento del sobrevuelo, el hemisferio sur de Umbriel (como los de las otras lunas) estaba apuntando hacia el Sol, por lo que el hemisferio norte (oscuro) no pudo ser estudiado. Ninguna otra nave espacial ha visitado Urano o sus lunas.