Миранда - самый необычный спутник в Солнечной системе

В этой статье расскажу про незамысловатый рассказ популяризатора науки Дэвида Нордли "В пещерах Миранды" про выживание группы ученых в пещерах спутника планеты Уран. Далее будут научные факты и художественный вымысел. Если кратко:

• Много интересных научных догадок о том, чего видеть не могли, но можно объяснить с точки зрения науки. Как мог бы выглядеть другой мир.
• Есть инопланетяне
• Упоминаются 5 цивилизаций в солнечной системе
• Первая половина рассказа частит наличием секса в космосе, что читается забавно
• Есть про человеческие отношения

Основные параметры Миранды:

• Орбитальная скорость (вращение вокруг тела притяжения) - 24 067 км/ч вокруг Урана (Земля: 107 000 км/ч вокруг Солнца, Луна: 3 680 км/ч вокруг Земли)
• Радиус: 240 км (Земля: 6341 км, Луна: 1737 км)
• Площадь поверхности: 698 710 км² (Земля: 510 млн., Луна: 3.8 млн.)
• Масса: 6,6⋅10 в 19 степени кг (Земля: 6 на 10 в 24, Луна: 7.3 на 10 в 22)
• Средняя плотность: 1,214 г/см³ (Земля: 5.5, Луна: 3.3). Это говорит о том, что материал космического тела пористый или достаточно легкий.
• Ускорение свободного падения на экваторе: 0,079 м/с² (Земля: 9.8 м/с² - стандарт земной гравитации, Луна: 1.62 м/с²). Гравитация на Миранде практически отсутствует.
• Вторая космическая скорость (требуется чтобы преодолеть гравитацию и покинуть объект притяжения): 695 км/ч (Земля: 40 000 км/ч, Луна: 8500 км/ч)
• Температура на поверхности: минимальная: −213,15 °C, максимальная: −189,15 °C. (Луна: -173°C и +113°C)

Карта Миранды

Несколько интересных фактов о Миранде:

• самый близкий и наименьший из пяти крупных спутников Урана. Открыт в 1948 году Джерардом Койпером и назван в честь Миранды из пьесы Шекспира «Буря».
• Спутник был исследован с близкого расстояния «Вояджером-2», изучавшим систему Урана в январе 1986 года. С Мирандой он сблизился теснее, чем с другими спутниками Урана, и поэтому заснял её детальнее.
• Ось вращения Миранды лежит в плоскости орбиты планеты, и это приводит к очень своеобразным сезонным циклам.
• Сформировалась Миранда, скорее всего, из аккреционного диска, который либо существовал вокруг Урана в течение какого-то времени после формирования планеты, либо образовался при мощном столкновении, которое, вероятно, и дало Урану большой наклон оси вращения (97,86°) - в отличие от всех других планет Солнечной системы.
• Миранда обладает уникальной в своём роде поверхностью с большим разнообразием форм рельефа. Это трещины, разломы, долины, кратеры, хребты, углубления, скалы, террасы и внутренние полости (образующие пещеры). Поверхность этого спутника размером с Энцелад — удивительная мозаика из весьма разнообразных зон. Некоторые регионы стары и невыразительны. Они испещрены многочисленными ударными кратерами. Другие регионы пересечены сложными переплетениями хребтов и уступов и покрыты прямоугольными или яйцевидными системами светлых и тёмных полос, что указывает на необычный состав Миранды. Все это указывает на сложную геологическую историю Миранды.
• Могли повлиять на геологию: орбитальные резонансы, приливные силы, конвекция в недрах, частичная гравитационная дифференциация и расширение их вещества, а также криовулканизм.
• Орбитальный период составляет 1,4 земных суток и совпадает с периодом вращения. Миранда всегда повёрнута к Урану одной стороной (как и Луна к Земле), её орбита полностью находится в его магнитосфере, а атмосферы у неё нет. Поэтому её ведомое полушарие постоянно бомбардируется частицами магнитосферной плазмы, которые движутся по орбите намного быстрее Миранды. Возможно, это и приводит к потемнению ведомого полушария, которое наблюдается у всех спутников Урана, кроме Оберона.
• Каждый полюс Миранды 42 года находится в полной темноте и 42 года непрерывно освещён, во время летнего солнцестояния Солнце на полюсе почти достигает зенита.
• Миранда — один из немногих спутников в Солнечной системе, обладающих венцами — своеобразными кольцевыми или овальными деталями поверхности. Некоторые венцы простираются до 300 км. Моделирование показывает, что они могли возникнуть из-за конвекции в недрах. Предполагается, что в прошлом Миранда имела более вытянутую орбиту и на каждом обороте подвергалась деформации из-за изменения величины приливных сил от Урана. Это вызывало нагрев её недр, и тёплый пластичный лёд несколькими потоками поднимался к поверхности. Взаимодействуя с ней, эти потоки и образовали венцы. Например, уступ Верона имеет высоту 10—15 км, что намного выше стен Большого Каньона на Земле. Высота этой скалы особенно удивительна по сравнению с небольшим размером Миранды: 2—3 % диаметра спутника. Под уступом находится огромная впадина, рассмотреть которую Вояджеру не удалось, так как уходит в темную сторону спутника. Поверхность Миранды на протяжении его истории перестраивалась до 5 раз.
• Природа геологической активности на Миранде остается загадкой. Так на Земле гео активность связана с наличием металлического ядра и гравитации. На Миранде этого нет. Для объяснения его формирования и геологической эволюции научным сообществом предложены несколько теорий. Одна из них состоит в том, что Миранда сформировалась из газопылевой туманности или аккреционного диска вокруг Урана. Этот диск либо существовал со времён формирования планеты, либо образовался при огромном столкновении Урана с другим космичским телом, которое, скорее всего, и дало Урану большой наклон оси вращения (Уран по сути лежит на боку и вращается перпендикулярно орбите). Возраст самых молодых геологических образований Миранды составляет всего лишь несколько сотен миллионов лет. Моделирование термической истории небольших спутников (размера Миранды) предсказывает скорое охлаждение и полное отсутствие геологической эволюции после аккреции спутника из туманности. Геологическая активность в течение столь долгого времени не может быть объяснена ни энергией от начальной аккреции, ни энергией деления радиоактивных элементов (если бы они были внутри спутника).

Разломы, возвышенности и другие особенности венца Арден на Миранде

Имея такую научную базу данных о Миранде перейдем к вымышленному. Дальше выдержки из рассказа.

Рассказ

Мы вошли в большую расселину три долгих дня тому назад, перебравшись через огромную гряду; здесь встречались два разных геологических образования, которые удерживались вместе слабой гравитацией Миранды и какими-то еще силами. Под испещренной кратерами, покрытой пылью поверхностью большая расселина представляла собой череду пустот между гребнями, образовавшимися при сжатии; необработанные деревяшки, кое-как слепленные ленивым плотником воскресным вечером. Нихил считает, что сеть эта пронизывает всю планету. Есть другие узлы, другие расселины, другие системы пустот, но эта одна из самых больших.

Предполагается, что подобные объекты могут быть "не цельными", а просто набором "камней", которые вместе удерживаются гравитацией и чем-то еще...

Нихил объяснил: Миранда сотрясается, подпрыгивая вверх-вниз на своей несовершенной орбите, которая настолько же непохожа на другие орбиты, как и сам спутник - на другие спутник. Напряжения накапливаются внутри спутника веками, они нарастают и в конце концов ломают все вокруг. Мы обнаружили, говорил он, что Миранда продолжает сжиматься из-за постепенного обрушения пещер, происходящего во время этих «землетрясений». Кроме того, из-за низкой гравитации серия землетрясений и следующих за ними слабых толчков может затянуться на годы. Опасность эта будет существовать еще долгое время после того, как мы спасемся отсюда или погибнем.

Одно "запущенное" землетрясение на Миранде может длиться столетиямии.

- Ветер? - изумился я. - Откуда на Миранде ветер?

- Во время катаклизмов, преобразовавших планету, высвободилось огромное количество газов, причем за короткое время. Газ должен куда-то деваться. Проходя здесь, обратите внимание на полосы.

Да, подойдя ближе, я заметил полосы - словно кто-то обработал стены коридора пескоструйкой. Миранда дышала - когда-то.

- Я думаю, - продолжал Нихил, - что существует равновесие между газом, находящимся в пещерах Миранды, и кольцом газа, окружающим всю систему. Гравитации Миранды вряд ли достаточно, чтобы сжать его в нужной степени. Но совокупность пещер действует как охлаждаемая ловушка и грубый диффузионный барьер.

Так как на Миранде нет пригодной для дыхания атмосферы, герои используют вакуумные палатки, в которых спят, едят, делают перерывы без скафандров. Действительно, в таком быте секс - может быть чуть ли не единственным развлечением путешественников 😂. Для скалолазания онии используют фулереновые канаты, невроятно тонкие и прочные, занимают крайне мало места, а могут доставить на несколько км. Учитывая отсутствие гравитации - перенос экипировки и груза оказывается достаточно легким занятием. Для более удобного перемещения они используют реактивный пистолет (придает телу скорость), даже в одной из частей будут летать и планировать чтобы пересекать глубокие многокилометровые расселины и впадины.

Я измучен и ужасно устал, и я не в силах описать словами чувства, которые нахлынули на меня, когда я выполз из узкой трещины, словно из горизонтального дымохода, на наклонный, усыпанный гравием край первой большой пещеры. Я невольно застонал: переход от клаустрофобии к открытому пространству был слишком резким. Внезапно перед нами возникла эта невообразимая пустая полость, стены тонули в адской тьме, которая поглощала свет наших фонарей, не давая ни единого отблеска.

Интересно про кристаллы придумано:

Я включил фонарь поярче, чтобы рассмотреть стену пещеры, мелькавшую рядом с нами. Мы словно оказались внутри аметистовой жеоды: повсюду нагромождения остроконечных кристаллов лилового оттенка.

Кэти не возразила, и я взглянул в ее сторону. Она повернулась к лесу кристаллов и, казалось, застыла. Выстрелив из реактивного пистолета, я оказался рядом с ней и, прикоснувшись к ее руке, привлек ее внимание. Она кивнула. Кристаллы были огромными, и я тоже удивился этому. Я проверил дисплей своего шлема - инерционные датчики сообщали, что я нахожусь на глубине пятидесяти километров под поверхностью спутника, а ускорение свободного падения из-за слабой гравитации Миранды составляет менее семи сантиметров за секунду в квадрате. Если бы мы всего через три минуты долетели до покрытой зубьями поверхности в километре от нас, мы врезались бы в нее со скоростью одиннадцать метров в секунду. Я представил себе олимпийского чемпиона в беге на стометровую дистанцию, который на полном ходу врезается в кирпичную стену.

...

От наших прикосновений кристаллы рассыпались в пыль и даже не хрустнули, когда наши ботинки, сломав их, ткнулись в стену.

- Какого… - вырвалось у меня - я ожидал чего-то более жесткого.

- Осаждение, а не выступы? - предположила Рэнди, и вопросительная интонация явно предназначалась для Нихила.

- Именно. Иней, образовавшийся при низкой гравитации. А на вид не скажешь, правда?

- Ты, ты знал, да? - обвиняющим тоном воскликнула Кэти, голос ее прерывался.

- Подозревал, - ответил Нихил.

Кристаллы - это капли, собранные вместе и непожвижны ввиду отсутствия какого либо движения атмосферы.

Без гравитации любой объект может приобрести огромную скорость от малейшего движения. Вот почему даже обычный карандаш или кусочек грифеля свободно парящий внутри космической станции может принести колоссальный урон.

Кэти, приземляясь, сдвинула большой валун, и, покатившись на ледяные кристаллы, он породил звук - звон бьющихся льдинок.

- Эй, - воскликнул я, когда смысл происшедшего дошел до меня, - я слышал это! - Здесь есть атмосфера, в основном метан и азот.

Давление около десяти миллибар, температура - почти сто градусов по Кельвину, - ответил Сэм на мой безмолвный вопрос. Первоклассный робот этот Сэм.

Звук не слышен в отсутствие какой-либо атмосферы. Его просто нет. Обязательным условием передачи звука - наличие воздушного пространтства любой природы.

Кое- что о развитии персонажей:

Кэти родилась на Марсе в семье богатого торговца и была интеллектуальной бунтовщицей, вступила в борьбу с авторитарным пасторальным движением, которое позднее дало начало Новой Реформации. В пятнадцать лет ее выгнали из школы за то, что она хвасталась, будто переспала с парнем. На самом деле это было не так, но «мне так были противны люди, которые говорили, что делать этого нельзя, что я всем стала рассказывать, что спала с ним».

Ее родители, оказавшись меж двух огней - с одной стороны, дочь, с другой - клиенты, разрешили проблему, отослав Кэти в космическую академию Международной Ассоциации Врачей на Венере L1. Там она познакомилась с Нихилом, который читал начальный курс палеонтологии. В двадцать два года она получила диплом врача и углубилась в исследовательскую работу в области археоиммунологии. Она снова встретилась с Нихилом на конференции по ископаемым следам болезней; он хотел уйти от полемики относительно внутреннего строения Миранды и при помощи антипротонного сканирования критиковал доказательства панспермии, обнаруженные в ядрах образцов с Тритона. Его статус изгоя привлек ее. Они начали встречаться.

Когда он внезапно стал знаменитостью, она отбросила осторожность и приняла его предложение. Но она обнаружила, что Нихил тщательно скрывает свои эмоции, а на месте чувства юмора в душе его зияет холодная, искусственная пустота.

Этим утром Кэти раздала нам последние кальциевые таблетки. Через неделю или около того нам предстоит испытать обычные при низкой гравитации симптомы - ломкость костей и слабость. Мы не очень тревожились - если мы выживем, это можно будет вылечить.

К концу дня я не слишком устал, но мысли мои были поглощены загадкой чудесных кристаллов. Откуда они берутся? Или, скорее, откуда они взялись? Сэм и Нихил пришли к выводу, что имеющийся поток газов, удивительный по своей интенсивности, не проходит настолько близко, чтобы за несколько сотен миллионов лет, миновавших после разрушения Миранды, образовать эти кристаллические леса.

Теперь мы находились в ста пятидесяти километрах от поверхности, и Нихил сказал, что эти стены должны выдерживать давление более девяноста атмосфер, чтобы пещеры не обрушились. Неудивительно, что больших пещер встречается все меньше, а стены у них в основном силикатные, а не клатратные - каменные глыбы вместо грязного льда.

- У нас есть проблема, - вступила в разговор Кэти. - Ядовитый газ. Давление азота составляет почти одну двадцатую бара, а это больше, чем было когда-то на Марсе. Достаточно, чтобы нести с собой опасное количество пахучих соединений - не просто метана, но такой штуки, как циан. Я не знаю, заметил ли еще кто-нибудь из вас, но эта дрянь начинает конденсироваться на нашем снаряжении, и от этого пахнет в палатках. У ядра положение может ухудшиться, и я не знаю подходящего способа избавиться от загрязнения.

Еще про гравитацию и крылья:

Так близко к центру Миранды ускорение свободного падения составляло всего пять сантиметров на секунду в квадрате - примерно в триста раз меньше, чем на Земле. Пять тысячных от земной гравитации. Отпустите какую-нибудь вещь прямо перед собой, отвернитесь и сосчитайте до тысячи одного, затем взгляните на вещь снова: она упадет, может быть, на два пальца. Вы забываете о ней, занимаетесь чем-то другим и оглядываетесь через десять минут. Вещь исчезла. Она пролетела десять километров и движется в три раза быстрее, чем может бежать человек, - со скоростью тридцать метров в секунду. Если она еще не наткнулась на что-нибудь. Низкая гравитация, повторяю вам снова и снова, может быть опасна.

Это в вакууме, но мы были теперь не в вакууме. Даже распределив между собой груз, мы весили меньше десяти ньютонов - почти как литр водки там, в Польше, с тоской подумал я, - и каждый из нас имел площадь поверхности, равную площади небольшого воздушного змея. Нам повезет, если мы сможем падать со скоростью три метра в секунду в начале пути, а у дна мы будем парить, словно снежинки.

Почему-то я вспомнил о бабочках.

- А мы не можем сделать себе крылья? - спросил я.

- И в самом деле, крылья! - Нихил был настроен скептически.

- Крылья! - возбужденно воскликнула Кэти.

- Простыни, скобы для палаток, клейкая лента, канаты. Все сойдет, - предложила Рэнди.

- Мы об этом очень, очень пожалеем, - предупредил Нихил.

Четыре часа спустя мы были готовы и выглядели как существа из кошмара Бэтмена.

Падение капель и "водопад" в условиях микрогравитации:

Через полчаса мы установили, что можем лететь со скоростью идущего человека, прилагая примерно столько же усилий. Вскоре мы и в самом деле планировали и научились при желании набирать высоту.

Проплыв в воздухе еще час, мы наткнулись на источник капающих звуков, которые я слышал вчера вечером. На стенках пещеры конденсировалась какая-то жидкость, образуя капли размером с шары для боулинга. Капли со временем отделялись от стены и, пролетев примерно километр, падали в лужу, образовавшуюся в трещине. Этот «водопад» на Миранде выглядел, как в замедленной съемке: здесь были капли и круги на воде, но все было гораздо большего размера и происходило в реальном времени.

- В основном этан, - сообщил нам Сэм.

...

Я нуждался в подобном напоминании - меня заворожили капли, падавшие по несколько минут, и пруды, которые, казалось, непрерывно мерцали.

И еще немного про гравитацию, верх-низ у предметов и как на одной и той же планете могут разлетаться предметы в разные стороны под действием тяготения или даже иметь свою собственную, отдельную от основной, гравтацию.

Здесь ширина пещеры-трубы составляет почти три километра. Одна сторона находится ближе к Урану, чем центр массы Миранды, и вращается вокруг большой планеты с меньшей скоростью. Предметы стремятся упасть внутрь, на эту сторону, словно с апоапсиды - точки, наиболее удаленной от центра вращения Миранды. Противоположная сторона дальше от Урана, движется с большей скоростью. Предметы, находящиеся там, стремятся наружу.

- Масса Миранды сейчас окружает нас, словно гравитационная эквипотенциальная яма, которая уравновешивает саму себя, так что здесь действуют только эти приливно-отливные силы. Они невелики - несколько тысячных от земной гравитации, - но этого достаточно, чтобы для жидкостей возникли «верх» и «низ». В какой-то степени это напоминает поверхность Титана, хотя здесь немного теплее и давление неизмеримо ниже.

На дне - или в конце - пещры, названной нами Дымоходом Нихила, мы обнаружили скалу высотой в три километра, имевшую свое собственное микроскопическое гравитационное поле.

Этановое озеро:

По какой-то милости небес я не забыл прикрепить канат, который оставил на скале, к багажному мешку, и мы погрузились в этановое озеро.

Там было холодно - словно голышом ныряешь в Берингово море. Вокруг меня кипел этан, и пространство между моим герметичным костюмом и верхним комбинезоном заполнилось слоем этановой пены. Окруженный этой пеной и блестящей изоляцией, мой костюм сохранял внутри терпимую температуру, когда снаружи было что-то около девяноста двух градусов по Кельвину. Пока мы плыли, я дрожал и намеренно напрягал и расслаблял все мышцы, какие только мог вспомнить.

Смотреть было не на что, коридор был широким - его выточила река, текущая здесь миллионы лет. В свете фонаря я различал вокруг пузырящиеся водовороты, а дальше простиралась тьма.

Канат вел нас - вверх? вниз? - внутрь коридора, прочь от реки. Я ухватился за него и без труда пошел вдоль, словно спускался на веревке в мире с низкой гравитацией. Палатку с моими спутниками и наш багаж, таким образом, не пришлось волочить по твердой поверхности. Время на дисплее указывало на то, что мы провели «под водой» час. Завернув за угол, мы оказались в намного более узком проходе. Я был настолько поглощен огибанием разных препятствий, что забыл о холоде. Но я заметил, что кожу начинает пощипывать. Затем впереди мелькнул свет. Может быть, мне показалось?

Трупы инопланетян и способ определения возраста:

День начался с открытия, которое при других обстоятельствах оправдывало бы всю нашу экспедицию: мумифицированные останки инопланетян, предположительно тех самых, что оставили странный крюк. Там было два больших тела и одно маленькое, они лежали навзничь на полу пещеры, на какой-то куче - должно быть, это были их костюмы. Может быть, у них кончилась пища и воздух и они завершили свой путь здесь? Или они умерли по какой-то другой причине и были похоронены собратьями, которых мы, возможно, найдем где-то в другом месте?

Это были двуногие существа, с четырьмя руками, выше нас и, вероятно, легче, хотя по мумии об этом судить трудно. Верхние руки у них были намного крупнее и сильнее нижних, а лицами они напомнили мне панд. Насколько я мог припомнить, они не принадлежали ни к одной из пяти известных рас, населяющих Вселенную, так что при других обстоятельствах подобное открытие стало бы важным событием. Но сейчас эта загадка вызвала у меня лишь смутное раздражение. Либо мое любопытство еще не пробудилось, либо я оставил его где-то позади, в одной из хрустальных пещер.

- Сколько им лет? - спросила Кэти у Сэма, понизив голос. Она, по крайней мере, была заинтригована.

- Если принять за постоянную величину теперешнюю скорость оседания пыли, то им примерно двести тридцать тысяч лет, плюс- минус десять тысяч.

- Они не оставили никакого снаряжения, кроме костюмов, - заметил Нихил. - Из этого, по моему мнению, следует, что эта пещера - не конец пути, если, конечно, у нас есть силы идти дальше. Сфотографировал, Сэм? Отлично. Идем?

Мы повернулись к Нихилу, оставив трупы.

А вот и микробная жизнь:

Стены были такого же грязно-коричневого цвета, как и в других пещерах, но только не на Миранде.

- А, здесь нет инея. Она потерла стену рукой и показала мне бурую грязь.

- Я хочу взглянуть на это в микроскоп. Сэм?

Робот быстро приблизился и поднес образец поближе к своему нижнему ряду глаз. Я увидел на экране внутри своего шлема то, что увидел он.

- Этот образец имеет явную клеточную структуру, но внутри клеток образований мало, если они вообще есть. Органические молекулы и аммиак в каком-то геле. У меня на глазах одна из клеток раздвоилась. Я был так захвачен этим зрелищем, что не заметил, что Кэти присоединилась к нам.

- Они должны поглощать вещества прямо из воздуха, - теоретизировала она.

- Кстати, воздух этот токсичен, но только в высоких концентрациях. Видимо, что-то поглощает циан и другие сильно ядовитые газы. Может быть, эта штука.

Резюме

Рассказ конечно скучноват. Интересен мне был только из научных соображений!