Neptun — charakterystyka, odkrycie i znaczenie w Układzie Słonecznym

Odkrycie

Pierwszą możliwą obserwację Neptuna uważa się za dokonaną przez Galileusza, ponieważ jego rysunki przedstawiały Neptuna w pobliżu Jowisza. Ale Galileuszowi nie przypisano tego odkrycia, ponieważ uważał, że Neptun jest "stałą gwiazdą", a nie planetą. Ze względu na powolny ruch Neptuna po niebie, mały teleskop Galileusza nie był wystarczająco silny, aby wykryć Neptuna jako planetę.

W 1821 r. Alexis Bouvard opublikował tablice astronomiczne orbity Urana. Późniejsze obserwacje wykazały, że Uran poruszał się na swojej orbicie w sposób nieregularny, co skłoniło niektórych astronomów do myślenia o innym dużym ciele, będącym przyczyną nieregularnych ruchów Urana. W 1843 r. John Couch Adams obliczył orbitę ósmej planety, która prawdopodobnie wpływałaby na orbitę Urana. Swoje obliczenia wysłał do Sir George'a Airy'a, Astronoma Royal'a, który poprosił Adamsa o wyjaśnienie. Adams zaczął robić kopię odpowiedzi, ale nigdy jej nie wysłał.

W 1846 r. Urbain Le Verrier, który nie współpracował z Adamsem, dokonał własnych obliczeń, ale też nie zwrócił na siebie uwagi francuskich astronomów. Jednak w tym samym roku John Herschel zaczął wspierać metodę matematyczną i zachęcał Jamesa Challisa do poszukiwania planety. Po dużym opóźnieniu, Challis rozpoczął swoje niechętne poszukiwania w lipcu 1846 roku. W międzyczasie Le Verrier przekonał Johanna Gottfrieda Galle'a do poszukiwania planety.

Chociaż Heinrich d'Arrest był jeszcze studentem berlińskiego obserwatorium, zasugerował, że nowo narysowaną mapę nieba, w rejonie przewidywanego obszaru Le Verrier, można by porównać z obecnym niebem w poszukiwaniu zmiany położenia planety, w porównaniu z gwiazdą stałą. Neptun został odkryty 23 września 1846 roku, w nocy, w odległości 1° (jeden stopień (kąt) od miejsca, w którym Le Verrier przewidywał, a około 10° od prognozy Adams. Challis dowiedział się później, że widział tę planetę dwa razy w sierpniu, nie rozpoznał jej z powodu niedbałego podejścia do pracy.

Kredytacja i nazewnictwo

Po rozpowszechnieniu się wiadomości o odkryciu Neptuna, doszło do licznych kłótni pomiędzy Francuzami i Brytyjczykami o to, kto ma zasługiwać na uznanie za odkrycie. Później międzynarodowe porozumienie zdecydowało, że zarówno Le Verrier jak i Adams razem zasługują na kredyt. Historycy dokonali jednak przeglądu tego tematu po ponownym odkryciu w 1998 r. "papierów Neptuna" (dokumentów historycznych z Królewskiego Obserwatorium Greenwich), które pozornie zostały skradzione i przechowywane przez astronoma Olin Eggena przez prawie trzy dekady i zostały ponownie odkryte (w jego posiadaniu) wkrótce po jego śmierci. Po zapoznaniu się z tymi dokumentami, niektórzy historycy uważają obecnie, że Adams nie zasługuje na takie samo uznanie jak Le Verrier.

Wkrótce po odkryciu, Neptun został tymczasowo nazwany "planetą zewnętrzną w stosunku do Urana" lub "planetą Le Verrier". Pierwsza sugestia dotycząca nazwy pochodziła od Galle. Zaproponował imię Janus. W Anglii, Challis zaproponował imię Oceanus. We Francji, Arago zasugerował, aby nową planetę nazwać Leverrier, sugestia ta spotkała się z dużym sprzeciwem poza Francją. Francuskie almanachy szybko przywróciły nazwę Herschel dla Urana i Leverrier dla nowej planety.

W międzyczasie, z odrębnego i innego powodu, Adams zasugerował zmianę nazwy gruzińskiej na Uran, a Leverrier (poprzez Radę Długości) zasugerował Neptuna dla nowej planety. Struve poparł tę nazwę 29 grudnia 1846 r. w Sankt Petersburskiej Akademii Nauk. Petersburskiej Akademii Nauk. Wkrótce Neptun został uzgodniony przez wielu ludzi na arenie międzynarodowej i stał się wtedy oficjalną nazwą nowej planety. W mitologii rzymskiej Neptun był bogiem morza, utożsamianym z greckim bogiem Posejdonem.

Masa i skład

Przy 10,243×1025 kg, masa Neptuna stawia planetę pomiędzy Ziemią a największymi gazowymi olbrzymami; Neptun ma siedemnaście mas Ziemi, ale tylko 1/18 masy Jowisza. Neptun i Uran są często uważane za część podklasy gazowych gigantów znanych jako "lodowe giganty", biorąc pod uwagę ich mniejsze rozmiary i duże różnice w składzie w porównaniu do Jowisza i Saturna. W poszukiwaniach planet pozasłonecznych, Neptun został wykorzystany jako odniesienie do określenia wielkości i struktury odkrytej planety. Niektóre odkryte planety, które mają podobne masy jak Neptun, są często nazywane "Neptunami". tak jak astronomowie odnoszą się do różnych pozasłonecznych "Jowiszów".

Atmosfera Neptuna składa się głównie z wodoru, z mniejszą ilością helu. Niewielka ilość metanu jest również wykrywana w atmosferze. Istotne pasma absorpcji metanu występują przy długości fal powyżej 600 nm, w czerwonej i podczerwonej części widma. Ta absorpcja czerwonego światła przez metan atmosferyczny nadaje Neptunowi jego niebieski odcień.

Ponieważ Neptun krąży tak daleko od Słońca, to przy temperaturze -218 °C (55 K) w najwyższych partiach atmosfery otrzymuje bardzo mało ciepła. Głębiej w warstwach gazu temperatura rośnie jednak powoli. Podobnie jak Uran, źródło tego ogrzewania jest nieznane, ale różnice są większe: Neptun jest planetą najbardziej oddaloną od Słońca, jednak jego wewnętrzna energia jest wystarczająco silna, aby stworzyć najszybsze wiatry widoczne w Układzie Słonecznym. Zasugerowano kilka możliwych wyjaśnień, w tym ogrzewanie radiogeniczne z rdzenia planety, ciągłe promieniowanie w przestrzeń pozostałego ciepła wytworzonego przez załamującą się materię podczas narodzin planety oraz fale grawitacyjne rozbijające się nad tropopauzą.

Struktura wnętrza Neptuna jest uważana za bardzo podobną do struktury wnętrza Urana. Prawdopodobnie znajduje się tam rdzeń, uważany za około 15 mas ziemi, składający się ze stopionej skały i metalu otoczonego mieszaniną skał, wody, amoniaku i metanu. Wysokie ciśnienia utrzymują lodowatą część tej otaczającej mieszaniny jako ciało stałe, pomimo dużych temperatur w pobliżu rdzenia. Atmosfera, rozciągająca się na około 10 do 20% drogi do centrum, to głównie wodór i hel na dużych wysokościach. Więcej mieszanin metanu, amoniaku i wody znajduje się w niższych partiach atmosfery. Bardzo powoli ten ciemniejszy i cieplejszy obszar wtapia się w przegrzane wnętrze cieczy. Ciśnienie w centrum Neptuna jest miliony razy większe niż na powierzchni Ziemi. Porównanie jego prędkości obrotowej do stopnia zmętnienia wskazuje, że jego masa jest mniej skoncentrowana w kierunku centrum, w przeciwieństwie do Urana.

Pogoda i pole magnetyczne

Jedną z różnic między Neptuna i Urana jest poziom aktywności meteorologicznej, który został zaobserwowany (widziany lub mierzony). Kiedy statek kosmiczny Voyager leciał przez Uran w 1986 roku, zaobserwowano, że wiatry na tej planecie były łagodne. Kiedy Voyager leciał nad Neptunem w 1989 roku, zaobserwowano silne zjawiska pogodowe. Pogoda w Neptunie ma niezwykle aktywne systemy sztormowe. Jego atmosfera ma najwyższe prędkości wiatru w układzie słonecznym, uważanym za napędzany przez przepływ wewnętrznego ciepła. Regularne wiatry w rejonie równikowym mają prędkość około 1200 km/h (750 mph), natomiast wiatry w systemach sztormowych mogą osiągać do 2100 km/h, czyli prędkości bliskie naddźwiękowi.

W 1989 roku Wielki Ciemny Punkt, cyklonowy system burzowy wielkości Eurazji, został odkryty przez statek kosmiczny NASA Voyager 2. Burza przypominała Wielką Czerwoną Plamkę Jowisza. Jednak 2 listopada 1994 roku Kosmiczny Teleskop Hubble'a nie widział Wielkiej Ciemnej plamy na planecie. Zamiast tego, nowa burza podobna do Wielkiej Ciemnej plamy została znaleziona na północnej półkuli planety. Powód, dla którego Wielka Ciemna plama zniknęła, jest nieznany. Jedną z możliwych teorii jest to, że wymiana ciepła z rdzenia planety zakłóciła równowagę atmosferyczną i istniejące wzorce cyrkulacji. Scooter to kolejna burza, biała grupa chmur znajdująca się dalej na południe od Wielkiej Ciemnej Strefy. Jego przydomek został nadany, gdy po raz pierwszy został zauważony w miesiącach poprzedzających spotkanie Voyagera w 1989 roku: poruszał się szybciej niż Wielki Ciemny Punkt. Późniejsze zdjęcia pokazywały chmury, które poruszały się jeszcze szybciej niż Scooter. The Wizard's Eye/Dark Spot 2 jest kolejną południową burzą cykliczną, drugą najsilniejszą burzą widzianą podczas spotkania w 1989 roku. Pierwotnie było zupełnie ciemno, ale gdy Voyager zbliżył się do planety, rozwinął się jasny rdzeń i jest widoczny na większości obrazów o najwyższej rozdzielczości.

W przeciwieństwie do innych gazowych gigantów, atmosfera Neptuna pokazuje obecność wysokich chmur tworzących cienie na grubym pokładzie chmur poniżej. Chociaż atmosfera Neptuna jest znacznie bardziej aktywna niż Urana, obie planety składają się z tych samych gazów i lodów. Uran i Neptun nie są dokładnie takimi samymi gazowymi gigantami jak Jowisz i Saturn, ale są raczej lodowymi gigantami, co oznacza, że mają większy stały rdzeń i są również wykonane z lodów. Neptun jest bardzo zimny, z temperaturami zanotowanymi na szczytach chmur w 1989 r. na poziomie -224 °C (-372 °F lub 49 K).

Neptun ma również podobieństwa z Uranem w swojej magnetosferze, z polem magnetycznym silnie nachylonym względem swojej osi obrotu pod kątem 47° i odchylonym o co najmniej 0,55 promienia (około 13 500 kilometrów) od fizycznego centrum planety. Porównując pola magnetyczne obu planet, naukowcy uważają, że ekstremalny przebieg może być charakterystyczny dla przepływów we wnętrzu planety, a nie dla ruchu obrotowego Urana na boki. ^[]

Wokół niebieskiej planety odkryto bardzo małe niebieskie pierścienie, ale nie są one tak dobrze znane jak pierścienie Saturna. Gdy pierścienie te zostały odkryte przez zespół kierowany przez Edwarda Guinana, początkowo myśleli oni, że pierścienie te mogą nie być kompletnymi pierścieniami. Zostało to jednak udowodnione przez Voyagera 2. Planetarne pierścienie Neptuna mają dziwny "niezdarny" układ. Chociaż przyczyna jest obecnie nieznana, niektórzy naukowcy uważają, że może to być spowodowane kontaktem grawitacyjnym z małymi księżycami, które orbitują w ich pobliżu. ^[]

Dowód na to, że pierścienie są niekompletne, rozpoczął się w połowie lat 80-tych, kiedy okazało się, że okultywacja gwiazdy rzadko wykazuje dodatkowe "mrugnięcie" tuż przed lub po okultywacji planety. Zdjęcia z Voyagera 2 w 1989 r. rozwiązały ten problem, gdy okazało się, że system pierścieni ma kilka słabych pierścieni. Najdalszy pierścień, Adams, ma trzy słynne łuki, które obecnie noszą nazwy Liberté, Egalité i Fraternité (Wolność, Równość i Braterstwo).

Istnienie łuków jest bardzo trudne do zrozumienia, ponieważ prawa ruchu przewidywałyby, że łuki rozchodzą się w jednym pierścieniu w bardzo krótkim czasie. Uważa się, że efekty grawitacyjne Galatea, księżyc znajdujący się tuż przed pierścieniem, stworzyły te łuki.

Kilka innych pierścieni zostało odkrytych przez kamery Voyagera. Również w przypadku cienkiego Adams Ring około 63.000 km od centrum Neptuna, Leverrier Ring znajduje się na 53.000 km, a szerszy, mniejszy Galle Ring na 42.000 km. Bardzo mała ekspansja na zewnątrz Pierścienia Dźwigniowego została nazwana Lassell; jest on otoczony na swojej zewnętrznej krawędzi Pierścieniem Arago na odcinku 57.000 km.

Opublikowane w 2005 r. nowe obserwacje naziemne wykazały, że pierścienie Neptuna są o wiele bardziej niestabilne niż wcześniej sądzono. Dokładnie, wygląda na to, że pierścień Liberté może zniknąć być może szybko w niecałe 100 lat. Nowe spostrzeżenia zdają się sugerować, że nasze rozumienie pierścieni Neptuna wprowadza wiele zamieszania.

Neptun ma w sumie 14 znanych księżyców. Ponieważ Neptun był rzymskim bogiem morza, księżyce planety zostały nazwane na cześć mniejszych bogów morza lub bogiń. Największy i jedyny na tyle duży, że ma kształt kuli, to Tryton (wymawiane:ˈtraɪtən) odkryty przez Williama Lassella zaledwie 17 dni po odkryciu samego Neptuna. W przeciwieństwie do wszystkich innych dużych księżyców planetarnych, Tryton ma wsteczną orbitę, co wskazuje na to, że księżyc został prawdopodobnie schwytany, a być może był kiedyś obiektem pasa Kuipera. Jest wystarczająco blisko Neptuna, aby zostać zablokowanym na synchronicznej orbicie i powoli przesuwa się do Neptuna i pewnego dnia zostanie rozerwany, gdy przekroczy granicę Roche'a. Tryton jest najzimniejszym obiektem, który został zmierzony w układzie słonecznym, o temperaturze -235 °C (38 K, -392 °F). Jego średnica wynosi 2700 km, (80% Księżyca Ziemi, Luna), jego masa wynosi 2,15×1022 kg (30% Luna), jego średnica orbitalna wynosi 354 800 km (90% Luna), a okres orbitalny wynosi 5,877 dni (20% Luna).

Drugi znany księżyc Neptuna (w kolejności według odległości), Nereida, ma jedną z najbardziej niezwykłych orbit spośród wszystkich satelitów w układzie słonecznym.

Od lipca do września 1989 roku, Voyager 2 odkrył sześć nówówów Neptuna. Spośród tych księżyców Proteus w kształcie grudek jest największym znanym obiektem, który nie został ukształtowany w kulę przez własną grawitację. Chociaż jest to drugi co do wielkości neptunski księżyc, ma tylko jedną czwartą jednego procenta masy Trytona. Najbliższe cztery księżyce Neptuna, Naiada, Talassa, Despina i Galatea, znajdują się na orbicie wystarczająco bliskiej, aby znaleźć się wewnątrz pierścieni Neptuna.

Kolejna, najdalsza z nich, Larisa została odkryta w 1981 roku, kiedy to pojawiła się gwiazda. Księżyc został uznany za przyczynę powstania łuków pierścieniowych Neptuna, gdy Voyager 2 zaobserwował Neptuna w 1989 roku. Pięć nowych niezwykłych księżyców odkrytych w latach 2002-2003 zostało ogłoszonych w 2004 roku. Najnowszy księżyc został odkryty w wyniku badania obrazów z teleskopu Hubble'a 16 lipca 2013 roku. Ma on tylko 12 mil średnicy, co pozwala na uniknięcie wykrycia go nawet przez statek kosmiczny Voyager 2.

Neptuna nie można zobaczyć gołym okiem, ponieważ normalna jasność Neptuna znajduje się między wielkościami +7,7 i +8,0, które mogą być przyćmione przez księżyce Galilejskie Jowisza, karłowatą planetę Ceres, i asteroidy 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno i 6 Hebe. Teleskop lub silna lornetka pokaże Neptuna jako małą niebieską kropkę, podobną wyglądem do Urana. Kolor niebieski pochodzi z metanu w jego atmosferze. Jego niewielkie, oczywiste rozmiary utrudniły badanie wzrokowe; większość danych teleskopowych była dość ograniczona do czasu pojawienia się Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i dużych naziemnych teleskopów z adaptacyjną optyką.

Z okresem orbitalnym (bocznym) 164,88 lat juliańskich, Neptun wkrótce powróci (do odkrycia) w to samo miejsce na niebie, gdzie został odkryty w 1846 roku. Stanie się to trzy różne czasy, również z czwartym, w którym będzie bardzo blisko znalezienia się w tym miejscu. Są to: 11 kwietnia 2009 r., kiedy to Neptun będzie w ruchu programowym; 17 lipca 2009 r., kiedy to będzie w ruchu wstecznym; oraz 7 lutego 2010 r., kiedy to będzie w ruchu programowym. W tym samym momencie, od odkrycia w 1846 roku pod koniec października do początku połowy listopada 2010 roku, kiedy to Neptun przejdzie z fazy retrogradacji do fazy ruchu bezpośredniego na podstawie dokładnego stopnia odkrycia Neptuna, a następnie zatrzyma się na chwilę wzdłuż ekliptyki w ciągu 2 minut łukowych (najbliżej 7 listopada 2010 roku). Będzie to ostatni raz przez około 165 kolejnych lat, kiedy Neptun będzie w punkcie odkrycia.

Tłumaczy się to ideą retrogradacji. Jak wszystkie planety i asteroidy w Układzie Słonecznym poza Ziemią, Neptun przechodzi w pewnych momentach swojego synodycznego okresu retrogradacji. Oprócz rozpoczęcia retrogradacji, inne wydarzenia wewnątrz okresu synodycznego obejmują opozycję astronomiczną, powrót do zaprogramowanego ruchu i połączenie ze Słońcem.

Na swojej orbicie wokół Słońca, Neptun powrócił do pierwotnego punktu odkrycia w sierpniu 2011 roku.

Obecnie tylko jeden statek kosmiczny odwiedził Neptune. Sonda Voyager2 NASA szybko przeleciała przez planetę, której najbliższe spotkanie miało miejsce 25 sierpnia 1989 roku i była ostatnią planetą odwiedzoną przez co najmniej jeden statek kosmiczny.

Jednym z ważnych odkryć Voyagera 2 był jego bardzo bliski przelot nad Trytonem, gdzie zrobiono zdjęcia kilku części księżyca. Sonda odkryła również Wielką Ciemną Plamę, choć obecnie zniknęła po tym, jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a zrobił zdjęcia Neptuna w 1994 roku. Pierwotnie uważano go za dużą chmurę lub cyklonowy system burzowy, później przypuszczano, że jest to dziura w widocznym pokładzie chmury.

Neptun okazał się mieć najsilniejszy wiatr ze wszystkich gazowych gigantów układu słonecznego. W zewnętrznych rejonach Układu Słonecznego, gdzie Słońce świeci ponad 1000 razy słabiej niż na Ziemi (wciąż bardzo jasno z wielkością -21), ostatni z czterech gigantów zdarzył się taki, jakiego naukowcy faktycznie oczekiwali. Można by pomyśleć, że im dalej od Słońca znajduje się planeta, tym mniej energii i ciepła byłoby dookoła, aby stworzyć i uruchomić bardzo silne wiatry. Wiatry na Jowiszu wynosiły już setki kilometrów na godzinę. Zamiast obserwować wolniejsze wiatry, naukowcy znaleźli szybsze wiatry (ponad 1600 km/h) na bardziej odległym Neptunie.

Jedną z możliwych przyczyn szybszych prędkości wiatru jest to, że jeśli wytwarza się wystarczającą ilość energii, powstają turbulencje, które spowalniają wiatr (jak te na Jowiszu). W Neptunie jest jednak tak mało energii słonecznej, że po uruchomieniu wiatrów napotykają one na bardzo mały opór i są w stanie utrzymać bardzo duże prędkości. Tak czy inaczej, Neptun daje więcej energii niż dostaje od Słońca, a wewnętrzne źródło energii tych wiatrów pozostaje nieokreślone.

Zdjęcia wysłane na Ziemię z Voyagera 2 w 1989 roku stały się podstawą całonocnego programu PBS o nazwie Neptun przez całą noc.