Neptun: plinski velikan — lastnosti, atmosfera in odkritje

Odkritje

Neptun naj bi prvič opazil Galileo, saj je na svojih risbah prikazal Neptun v bližini Jupitra. Vendar pa Galileju niso pripisali zaslug za odkritje, saj je mislil, da je Neptun "fiksna zvezda" in ne planet. Zaradi Neptunovega počasnega gibanja po nebu Galilejev mali teleskop ni bil dovolj močan, da bi Neptun zaznal kot planet.

Leta 1821 je Alexis Bouvard objavil astronomske tabele Uranove tirnice. Kasnejša opazovanja so pokazala, da se Uran po svoji tirnici giblje nepravilno, zaradi česar so nekateri astronomi menili, da je vzrok za nepravilno gibanje Urana drugo veliko telo. Leta 1843 je John Couch Adams izračunal orbito osmega planeta, ki bi lahko vplival na Uranovo orbito. Svoje izračune je poslal siru Georgeu Airyju, kraljevemu astronomu, ki je Adamsa prosil za razlago. Adams je začel pripravljati kopijo odgovora, vendar je nikoli ni poslal.

Leta 1846 je Urbain Le Verrier, ki ni sodeloval z Adamsom, opravil svoje izračune, vendar tudi ni bil deležen večje pozornosti francoskih astronomov. Vendar je istega leta John Herschel začel podpirati matematično metodo in spodbudil Jamesa Challisa k iskanju planeta. Challis je po dolgem odlašanju julija 1846 začel svoje neprostovoljno iskanje. Medtem je Le Verrier prepričal Johanna Gottfrieda Galleja, naj poišče planet.

Čeprav je bil Heinrich d'Arrest še študent na berlinskem observatoriju, je predlagal, da bi lahko na novo narisan zemljevid neba na območju, ki ga je predvideval Le Verrier, primerjali s sedanjim nebom in iskali spremembo položaja planeta v primerjavi s stalno zvezdo. Neptun je bil nato odkrit še isto noč, 23. septembra 1846, in sicer za 1° (eno stopinjo (kot) od mesta, kjer ga je napovedal Le Verrier, in približno 10° od Adamsove napovedi. Challis je pozneje ugotovil, da je planet avgusta videl dvakrat, pri čemer ga zaradi neprevidnega pristopa k delu ni prepoznal.

Pripisovanje in poimenovanje

Ko se je razširila novica o odkritju Neptuna, so se Francozi in Britanci veliko prepirali o tem, kdo je zaslužen za odkritje. Kasneje je bilo z mednarodnim sporazumom odločeno, da si zasluge zaslužita tako Le Verrier kot Adams. Vendar so zgodovinarji to temo ponovno preučili po tem, ko so leta 1998 ponovno odkrili "Neptunove papirje" (zgodovinske dokumente iz Kraljevega observatorija v Greenwichu), ki jih je astronom Olin Eggen očitno ukradel in hranil skoraj tri desetletja, ponovno pa so jih odkrili (v njegovi lasti) šele kmalu po njegovi smrti. Po pregledu dokumentov nekateri zgodovinarji menijo, da si Adams ne zasluži enakih zaslug kot Le Verrier.

Kmalu po odkritju so Neptun začasno poimenovali "zunanji planet Urana" ali "Le Verrierjev planet". Prvi predlog za ime je dal Galle. Predlagal je ime Janus. V Angliji je Challis predlagal ime Oceanus. V Franciji je Arago predlagal, da bi se novi planet imenoval Leverrier, kar je zunaj Francije naletelo na veliko nasprotovanje. Francoski almanahi so takoj ponovno uvedli ime Herschel za Uran in Leverrier za novi planet.

Medtem je Adams iz ločenega in drugačnega razloga predlagal spremembo imena Georgian v Uran, Leverrier pa je (prek Sveta za zemljepisno dolžino) za novi planet predlagal Neptun. Struve je to ime podprl 29. decembra 1846 pri Sanktpeterburški akademiji znanosti. Kmalu je bil Neptun mednarodno sprejet med mnogimi ljudmi in je bil nato uradno ime za novi planet. V rimski mitologiji je bil Neptun bog morja, poistoveten z grškim bogom Pozejdonom.

Masa in sestava

Neptunova masa 10,243×1025 kg ga uvršča med Zemljo in največje plinske velikane; Neptun ima sedemnajst Zemljinih mas, a le 1/18 mase Jupitra. Neptun in Uran zaradi manjše velikosti in velikih razlik v sestavi v primerjavi z Jupitrom in Saturnom pogosto štejeta v podrazred plinastih velikanov, imenovanih "ledeni velikani". Pri iskanju zunajsončnih planetov se Neptun uporablja kot referenca za določitev velikosti in strukture odkritega planeta. Nekatere odkrite planete, ki imajo podobno maso kot Neptun, pogosto imenujemo "Neptuni", tako kot astronomi imenujejo različne zunajsončne "Jupitre".

Neptunovo ozračje je sestavljeno večinoma iz vodika in manjše količine helija. V atmosferi so zaznali tudi majhno količino metana. Pomembni absorpcijski pasovi metana so pri valovnih dolžinah nad 600 nm v rdečem in infrardečem delu spektra. Absorpcija rdeče svetlobe zaradi metana v ozračju daje Neptunu modri odtenek.

Ker Neptun kroži tako daleč od Sonca, dobiva zelo malo toplote, saj je temperatura v zgornjih delih atmosfere -218 °C (55 K). Globlje v plasteh plina pa se temperatura počasi dviguje. Podobno kot pri Uranu vir tega segrevanja ni znan, vendar so razlike večje: Neptun je planet, ki je najbolj oddaljen od Sonca, vendar je njegova notranja energija dovolj močna, da ustvarja najhitrejše vetrove v Osončju. Predlaganih je bilo več možnih razlag, med drugim radiogeno segrevanje iz jedra planeta, nenehno sevanje ostankov toplote, ki jo je med rojstvom planeta povzročila inflatorna snov, v vesolje in gravitacijski valovi, ki se lomijo nad tropopavzo.

Struktura Neptunove notranjosti naj bi bila zelo podobna strukturi Uranove notranjosti. Verjetno je jedro, ki naj bi imelo približno 15 Zemeljskih mas, sestavljeno iz staljenih kamnin in kovin, obdano z mešanico kamnin, vode, amoniaka in metana. Zaradi velikega tlaka je ledeni del te mešanice kljub visokim temperaturam v bližini jedra v trdnem stanju. Ozračje, ki se razteza na približno 10 do 20 % poti proti središču, je večinoma sestavljeno iz vodika in helija na velikih višinah. V nižjih predelih ozračja je več mešanic metana, amoniaka in vode. Zelo počasi se to temnejše in bolj vroče območje zliva s pregreto tekočo notranjostjo. Tlak v središču Neptuna je milijonkrat večji kot na površju Zemlje. Če primerjamo njegovo hitrost vrtenja s stopnjo obločnosti, vidimo, da je njegova masa za razliko od Urana manj skoncentrirana proti središču.

Vreme in magnetno polje

Razlika med Neptunom in Uranom je v stopnji meteorološke aktivnosti, ki je bila opažena (videna ali izmerjena). Ko je sonda Voyager leta 1986 preletela Uran, so opazili, da so vetrovi na tem planetu šibki. Ko je Voyager leta 1989 preletel Neptun, so opazili močne vremenske pojave. Neptunovo vreme ima izredno aktivne nevihtne sisteme. Njegova atmosfera ima najvišje hitrosti vetra v Osončju, ki naj bi ga poganjal tok notranje toplote. Redni vetrovi na ekvatorialnem območju dosegajo hitrosti okoli 1 200 km/h, medtem ko lahko vetrovi v nevihtnih sistemih dosežejo do 2 100 km/h, kar je skoraj nadzvočna hitrost.

Leta 1989 je Nasina sonda Voyager 2 odkrila Veliko temno pego, ciklonski nevihtni sistem v velikosti Evrazije. Nevihta je bila podobna Jupitrovi veliki rdeči pegi. Vendar 2. novembra 1994 vesoljski teleskop Hubble na planetu ni opazil velike temne pege. Namesto tega so na severni polobli planeta odkrili novo nevihto, podobno Veliki temni pegi. Razlog, zakaj je Velika temna pega izginila, ni znan. Ena od možnih teorij je, da je prenos toplote iz jedra planeta porušil atmosfersko ravnovesje in obstoječe vzorce kroženja. Scooter je še ena nevihta, skupina belih oblakov, ki je južneje od Velike temne pege. Vzdevek je dobila, ko so jo prvič opazili v mesecih pred srečanjem z Voyagerjem leta 1989: gibala se je hitreje kot Velika temna lisa. Poznejše slike so pokazale oblake, ki so se gibali še hitreje kot Scooter. Čarovnikovo oko/Temna pega 2 je še ena južna ciklonska nevihta, druga najmočnejša nevihta, opažena med srečanjem leta 1989. Sprva je bila popolnoma temna, ko pa se je Voyager približal planetu, se je razvilo svetlo jedro, ki je vidno na večini posnetkov najvišje ločljivosti.

Za razliko od drugih plinastih velikanov so v Neptunovem ozračju prisotni visoki oblaki, ki ustvarjajo sence na debelem oblačnem krovu pod njim. Čeprav je Neptunovo ozračje veliko bolj aktivno kot Uranovo, sta oba planeta sestavljena iz istih plinov in ledu. Uran in Neptun nista povsem enake vrste plinskih velikanov, kot sta Jupiter in Saturn, ampak sta prej ledena velikana, kar pomeni, da imata večje trdno jedro in sta prav tako sestavljena iz ledu. Neptun je zelo hladen, leta 1989 so na vrhu oblakov zabeležili temperature do -224 °C (-372 °F ali 49 K).

Neptun je podoben Uranu tudi po svoji magnetosferi, saj je magnetno polje močno nagnjeno primerjalno z njegovo osjo vrtenja pod kotom 47° in odmaknjeno vsaj 0,55 polmera (približno 13 500 kilometrov) od fizičnega središča planeta. Ob primerjavi magnetnih polj obeh planetov znanstveniki menijo, da je skrajni potek morda značilen za tokove v notranjosti planeta in ne posledica Uranovega bočnega vrtenja. ^[]

Okoli modrega planeta so odkrili zelo majhne modro obarvane prstane, ki pa niso tako znani kot Saturnovi. Ko je ekipa pod vodstvom Edwarda Guinana odkrila te obroče, so sprva mislili, da morda ne gre za popolne obroče. Vendar je to dokazala sonda Voyager 2. Neptunovi planetarni obroči imajo nenavadno "grudasto" razporeditev. Čeprav vzrok za to trenutno ni znan, nekateri znanstveniki menijo, da je to morda posledica gravitacijskega stika z majhnimi lunami, ki krožijo v njihovi bližini. ^[]

Dokaz, da so prstani nepopolni, se je prvič pojavil sredi osemdesetih let prejšnjega stoletja, ko je bilo ugotovljeno, da se pri okultaciji zvezd redko pojavi dodaten "utrip" tik pred ali po okultaciji planeta z zvezdo. Težavo so leta 1989 razrešili posnetki sonde Voyager 2, ko so ugotovili, da ima sistem obročev več šibkih obročev. Najbolj oddaljen obroč, Adamsov, ima tri znamenite loke, ki so zdaj poimenovani Liberté, Egalité in Fraternité (Svoboda, Enakost in Bratstvo).

Obstoj lokov je zelo težko razumeti, saj bi zakoni gibanja predvidevali, da se loki v zelo kratkem času razširijo v en sam obroč. Zdaj menijo, da so loki nastali zaradi gravitacijskih učinkov Galateje, lune, ki je le malo oddaljena od obroča.

Kamere Voyager so odkrile še več drugih obročev. Tanek Adamsov obroč je od središča Neptuna oddaljen približno 63.000 km, Leverrierjev obroč je oddaljen 53.000 km, širši in manjši Gallejev obroč pa 42.000 km. Zelo majhno razširitev Leverrierjevega obroča navzven so poimenovali Lassell; na zunanjem robu ga obdaja obroč Arago na 57.000 km.

Nova opazovanja na Zemlji, objavljena leta 2005, so pokazala, da so Neptunovi obroči veliko bolj nestabilni, kot so mislili doslej. Natančneje, zdi se, da bi lahko obroč Liberté hitro izginil v manj kot 100 letih. Zdi se, da so nova opazovanja precej zmedla naše razumevanje Neptunovih obročev.

Neptun ima skupno 14 znanih lun. Ker je bil Neptun rimski bog morja, so njegove lune poimenovali po manjših morskih bogovih ali boginjah. Največja in edina dovolj velika, da ima obliko krogle, je Triton (izgovorjava: ˈtraɪtən), ki jo je William Lassell odkril le 17 dni po odkritju samega Neptuna. Za razliko od vseh drugih velikih planetarnih lun ima Triton retrogradno tirnico, kar kaže, da je bila luna verjetno ujeta in da je bila morda nekoč objekt Kuiperjevega pasu. Triton je dovolj blizu Neptuna, da je zaklenjen v sinhrono orbito, in se počasi premika proti Neptunu, zato se bo nekega dne raztrgal, ko bo presegel Rochejevo mejo. Triton je najhladnejše izmerjeno telo v Osončju s temperaturo -235 °C (38 K, -392 °F). Njegov premer je 2700 km (80 % Zemljine Lune), njegova masa je 2,15×1022 kg (30 % Lune), premer njegove tirnice je 354 800 km (90 % Lune), njegova obhodna doba pa 5,877 dneva (20 % Lune).

Neptunova druga znana luna (po oddaljenosti), nenavadna luna Nereida, ima eno najbolj nenavadnih tirnic med vsemi sateliti v sončnem sistemu.

Od julija do septembra 1989 je Voyager 2 odkril šest novih Neptunovih lun. Med njimi je Proteus v obliki grudice največji znani objekt, ki ga lastna gravitacija ni oblikovala v kroglo. Čeprav je druga najmasivnejša Neptunova luna, ima le četrtino odstotka mase Tritona. Štiri najbližje Neptunove lune, Naiad, Thalassa, Despina in Galatea, krožijo dovolj blizu, da so znotraj Neptunovih obročev.

Naslednja najbolj oddaljena, Larissa, je bila prvotno odkrita leta 1981, ko je zakrila zvezdo. Luni so pripisali, da je povzročila Neptunove obročaste loke, ko je Voyager 2 leta 1989 opazoval Neptun. Leta 2004 je bilo objavljenih pet novih nenavadnih lun, odkritih med letoma 2002 in 2003. Zadnja luna je bila odkrita s preučevanjem posnetkov Hubblovega teleskopa 16. julija 2013. V premeru meri le 12 milj, zato se je izognila zaznavanju celo sonde Voyager 2.

Neptuna ni mogoče videti s prostim očesom, saj je njegova običajna svetlost med magnitudama +7,7 in +8,0, ki jih lahko zasenčijo Jupitrove galilejske lune, pritlikavi planet Ceres ter asteroidi 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno in 6 Hebe. S teleskopom ali močnim daljnogledom bo Neptun videti kot majhna modra pika, podobna Uranu. Modra barva je posledica metana v njegovem ozračju. Zaradi njegove očitne majhnosti ga je težko preučevati vizualno; večina teleskopskih podatkov je bila do prihoda Hubblovega vesoljskega teleskopa in velikih zemeljskih teleskopov s prilagodljivo optiko precej omejena.

Neptun z orbitalno periodo (zvezdno periodo) 164,88 julijanskih let se bo kmalu vrnil na isto mesto na nebu, kjer so ga odkrili leta 1846. To se bo zgodilo trikrat, v četrtem primeru pa se bo zelo približal temu položaju. To so 11. april 2009, ko se bo nahajal v postopnem gibanju, 17. julij 2009, ko se bo nahajal v retrogradnem gibanju, in 7. februar 2010, ko se bo nahajal v postopnem gibanju. Zelo blizu istega položaja od odkritja leta 1846 bo tudi konec oktobra do začetka in sredine novembra 2010, ko se bo Neptun iz retrogradnega gibanja spremenil v direktno na točno določeni stopinji odkritja Neptuna in se nato za trenutek ustavil vzdolž ekliptike znotraj 2 loka minut na tej točki (najbližje bo 7. novembra 2010). To bo zadnjič v naslednjih približno 165 letih, ko bo Neptun na svoji točki odkritja.

To pojasnjuje zamisel o retrogradciji. Tako kot vsi planeti in asteroidi v Osončju zunaj Zemlje tudi Neptun v določenih trenutkih svojega sinodičnega obdobja doživi retrogradnost. Poleg začetka retrogradacije so drugi dogodki znotraj sinodičnega obdobja še astronomska opozicija, vrnitev v postopno gibanje in konjunkcija s Soncem.

Neptun se je v svoji tirnici okoli Sonca avgusta 2011 vrnil na prvotno točko odkritja.

Trenutno je Neptun obiskala le ena sonda. Nasina sonda Voyager 2 je 25. avgusta 1989 na hitro preletela planet in se mu najbolj približala ter je bila zadnji planet, ki ga je obiskalo vsaj eno vesoljsko plovilo.

Med pomembnimi odkritji sonde Voyager 2 je bil zelo bližnji prelet Tritona, pri katerem je posnela več delov Lune. Sonda je odkrila tudi Veliko temno pego, ki pa je po slikanju Neptuna s Hubblovim vesoljskim teleskopom leta 1994 izginila. Sprva so mislili, da gre za velik oblak ali ciklonski nevihtni sistem, pozneje pa so domnevali, da gre le za luknjo v vidnem oblaku.

Izkazalo se je, da ima Neptun najmočnejše vetrove med vsemi plinastimi velikani Sončevega sistema. V zunanjih predelih sončnega sistema, kjer Sonce sije več kot 1000-krat šibkeje kot na Zemlji (še vedno je zelo svetlo z magnitudo -21), se je zadnji od štirih velikanov zgodil tako, kot so znanstveniki dejansko pričakovali. Lahko bi si mislili, da bolj ko je planet oddaljen od Sonca, manj je energije in toplote za ustvarjanje in delovanje zelo močnih vetrov. Na Jupitru so vetrovi že dosegli hitrost več sto kilometrov na uro. Namesto počasnejših vetrov so znanstveniki na bolj oddaljenem Neptunu odkrili hitrejše vetrove (več kot 1600 km/h).

Ena od možnih domnev o vzroku za večjo hitrost vetra je, da če se proizvede dovolj energije, nastane turbulenca, ki upočasni vetrove (kot pri Jupitru). Na Neptunu pa je sončne energije tako malo, da vetrovi, ko se enkrat sprožijo, naletijo na zelo majhen upor in lahko ohranijo zelo visoke hitrosti. Kakor koli že, Neptun oddaja več energije, kot je dobi od Sonca, zato notranji vir energije teh vetrov ostaja nedoločen.

Slike, ki jih je leta 1989 na Zemljo poslala sonda Voyager 2, so postale podlaga za celonočno oddajo televizije PBS z naslovom Neptune All Night.