Нептун — осмата планета на Слънчевата система: газов гигант със силни ветрове

Откритие

Смята се, че първият възможен наблюдател на Нептун е Галилей, тъй като неговите рисунки показват Нептун близо до Юпитер. Но Галилео не е признат за откривател, тъй като е смятал, че Нептун е "неподвижна звезда", а не планета. Поради бавното движение на Нептун по небето малкият телескоп на Галилей не е бил достатъчно силен, за да открие Нептун като планета.

През 1821 г. Алексис Бувар публикува астрономическите таблици на орбитата на Уран. По-късно наблюденията показват, че Уран се движи по своята орбита по неправилен начин, което кара някои астрономи да мислят, че причина за неправилните движения на Уран е друго голямо тяло. През 1843 г. Джон Куч Адамс изчислява орбитата на осма планета, която вероятно би могла да влияе на орбитата на Уран. Той изпраща изчисленията си на сър Джордж Ейри, кралски астроном, който иска от Адамс обяснение. Адамс започва да прави копие на отговора, но така и не го изпраща.

През 1846 г. Урбен Льо Верие, който не работи с Адамс, прави свои собствени изчисления, но също не успява да привлече вниманието на френските астрономи. През същата година обаче Джон Хершел започва да подкрепя математическия метод и насърчава Джеймс Чалис да търси планетата. След много забавяния Чалис започва неволното си търсене през юли 1846 г. Междувременно Льо Верие убеждава Йохан Готфрид Гале да търси планетата.

Въпреки че Хайнрих д'Арест все още е студент в Берлинската обсерватория, той предлага да се сравни новоизготвена карта на небето в района на предсказаната от Льо Верие област със сегашното небе, за да се открие промяна в позицията на планета в сравнение с неподвижна звезда. Тогава Нептун е открит още същата нощ на 23 септември 1846 г. на 1° (един градус (ъгъл) от мястото, където Льо Верие го е предсказал, и на около 10° от предсказанието на Адамс. По-късно Чалис установява, че е видял планетата два пъти през август, като не е успял да я разпознае поради небрежния си подход към работата.

Кредитиране и посочване на имена

След като новината за откриването на Нептун се разпространява, между французите и британците се водят много спорове за това кой заслужава да се похвали с това откритие. По-късно с международно споразумение се решава, че и Льо Верие, и Адамс заедно заслужават признание. Историците обаче преразглеждат темата след повторното откриване през 1998 г. на "документите за Нептун" (исторически документи от Кралската обсерватория в Гринуич), които изглежда са били откраднати и съхранявани от астронома Олин Егън в продължение на почти три десетилетия и са открити отново (в негово притежание) едва малко след смъртта му. След като преглеждат документите, някои историци вече смятат, че Адамс не заслужава равни почести с Льо Верие.

Малко след откриването си Нептун временно е наричан "външната планета на Уран" или "планетата на Льо Верие". Първото предложение за име идва от Гале. Той предлага името Янус. В Англия Чалис предлага името Океан. Във Франция Араго предложил новата планета да се нарича Леверие - предложение, което срещнало голяма съпротива извън Франция. Френските алманаси бързо въведоха отново името Хершел за Уран и Леверие за новата планета.

Междувременно, по отделна и различна причина, Адамс предлага да се промени името на Джорджия на Уран, докато Леверие (чрез Съвета по географска дължина) предлага Нептун за новата планета. На 29 декември 1846 г. Струве подкрепя това име пред Петербургската академия на науките. Скоро Нептун получава международно съгласие сред много хора и тогава е официалното име на новата планета. В римската митология Нептун е бог на морето, отъждествяван с гръцкия бог Посейдон.

Маса и състав

Масата на Нептун е 10,243×1025 kg, което я поставя между Земята и най-големите газови гиганти; Нептун има седемнадесет земни маси, но само 1/18 от масата на Юпитер. Нептун и Уран често се смятат за част от подклас газови гиганти, известен като "ледени гиганти", предвид по-малките им размери и големите разлики в състава в сравнение с Юпитер и Сатурн. В търсенето на извънслънчеви планети Нептун се използва като еталон за определяне на размера и структурата на откритата планета. Някои открити планети, които имат сходни маси като Нептун, често се наричат "Нептуни". точно както астрономите наричат различни извънслънчеви "Юпитери".

Атмосферата на Нептун е съставена предимно от водород, с по-малко количество хелий. В атмосферата се открива и малко количество метан. Важни абсорбционни ленти на метана се наблюдават при дължини на вълните над 600 nm, в червената и инфрачервената част на спектъра. Това поглъщане на червена светлина от атмосферния метан придава на Нептун синия му оттенък.

Тъй като Нептун обикаля толкова далеч от Слънцето, той получава много малко топлина, като температурата в най-горните части на атмосферата е -218 °C (55 K). По-дълбоко в газовите слоеве обаче температурата се повишава бавно. Подобно на Уран, източникът на това нагряване е неизвестен, но разликите са по-големи: Нептун е най-отдалечената от Слънцето планета, но вътрешната ѝ енергия е достатъчно силна, за да създаде най-бързите ветрове, наблюдавани в Слънчевата система. Предложени са няколко възможни обяснения, включително радиогенно нагряване от ядрото на планетата, продължаващо излъчване в космоса на остатъчна топлина, получена от вливаща се материя по време на раждането на планетата, и гравитационни вълни, които се разбиват над тропопаузата.

Смята се, че структурата на вътрешността на Нептун е много сходна със структурата на вътрешността на Уран. Вероятно има ядро, за което се смята, че е с маса около 15 земни маси, съставено от разтопени скали и метал, заобиколено от смес от скали, вода, амоняк и метан. Голямото налягане запазва ледената част от тази заобикаляща смес като твърдо тяло, въпреки големите температури в близост до ядрото. Атмосферата, простираща се на около 10 до 20 % от пътя към центъра, е предимно от водород и хелий на големи височини. В по-ниските части на атмосферата се намират повече смеси от метан, амоняк и вода. Много бавно тази по-тъмна и гореща област се слива с прегрятата течна вътрешност. Налягането в центъра на Нептун е милиони пъти по-голямо от това на повърхността на Земята. Сравняването на скоростта му на въртене със степента му на облачност показва, че за разлика от Уран масата му е по-малко концентрирана към центъра.

Времето и магнитното поле

Една от разликите между Нептун и Уран е нивото на метеорологична активност, което се наблюдава (вижда или измерва). Когато през 1986 г. космическият апарат "Вояджър" прелита покрай Уран, се наблюдава, че ветровете на тази планета са слаби. Когато "Вояджър" прелетя покрай Нептун през 1989 г., бяха наблюдавани мощни метеорологични явления. Времето на Нептун се характеризира с изключително активни буреносни системи. Атмосферата му има най-високите скорости на вятъра в Слънчевата система, за които се смята, че се задвижват от потока вътрешна топлина. Обикновените ветрове в екваториалния регион имат скорост от около 1200 км/ч (750 мили в час), докато ветровете в буреносните системи могат да достигнат до 2100 км/ч, скорост, близка до свръхзвуковата.

През 1989 г. Голямото тъмно петно, циклонална буря с размерите на Евразия, е открито от космическия апарат "Вояджър 2" на НАСА. Бурята прилича на Голямото червено петно на Юпитер. На 2 ноември 1994 г. обаче космическият телескоп "Хъбъл" не забелязва Голямото тъмно петно на планетата. Вместо това в северното полукълбо на планетата беше открита нова буря, подобна на Голямото тъмно петно. Причината за изчезването на Голямото тъмно петно е неизвестна. Една от възможните теории е, че преносът на топлина от ядрото на планетата е нарушил атмосферния баланс и съществуващите модели на циркулация. Скутерът е друга буря, група бели облаци, разположена по-далеч на юг от Голямото тъмно петно. Прякорът ѝ е даден, когато е забелязана за първи път в месеците преди срещата с Вояджър през 1989 г.: движи се по-бързо от Голямото тъмно петно. По-късните изображения показват облаци, които се движат дори по-бързо от Скутера. Окото на магьосника/Тъмно петно 2 е друга южна циклонална буря, втората по сила буря, наблюдавана по време на срещата през 1989 г. Първоначално тя беше напълно тъмна, но с приближаването на "Вояджър" към планетата се разви ярко ядро, което се вижда на повечето изображения с най-висока резолюция.

За разлика от другите газови гиганти, в атмосферата на Нептун се наблюдават високи облаци, които създават сенки върху гъстата облачна покривка отдолу. Въпреки че атмосферата на Нептун е много по-активна от тази на Уран, и двете планети са съставени от едни и същи газове и ледове. Уран и Нептун не са точно същия тип газови гиганти като на Юпитер и Сатурн, а по-скоро са ледени гиганти, което означава, че имат по-голямо твърдо ядро и също са изградени от лед. Нептун е много студен, като през 1989 г. в върховете на облаците са регистрирани температури до -224 °C (-372 °F или 49 K).

Нептун има сходства с Уран и по отношение на магнитосферата си - магнитното поле е силно наклонено спрямо оста на въртене на 47° и е отдалечено на поне 0,55 радиуса (около 13 500 км) от физическия център на планетата. Сравнявайки магнитните полета на двете планети, учените смятат, че екстремният курс може да е характерен за потоци във вътрешността на планетата, а не е резултат от страничното ротационно движение на Уран. ^[]

Около синята планета са открити много малки сини пръстени, но те не са толкова известни, колкото пръстените на Сатурн. Когато тези пръстени са открити от екип, ръководен от Едуард Гуинан, първоначално се смята, че пръстените може да не са завършени. Това обаче е доказано от "Вояджър 2". Планетарните пръстени на Нептун имат странно "тромаво" разположение. Въпреки че причината за това засега не е известна, но някои учени смятат, че може да се дължи на гравитационния контакт с малките луни, които обикалят близо до тях. ^[]

Доказателството, че пръстените са непълни, се появява за първи път в средата на 80-те години на миналия век, когато се установява, че при окултиране на звезди рядко се появява допълнително "мигане" точно преди или след окултирането на планетата от звездата. Снимките от Вояджър 2 през 1989 г. решават проблема, когато се установява, че пръстеновидната система има няколко слаби пръстена. Най-отдалеченият пръстен, Адамс, има три известни дъги, които сега са наречени Liberté, Egalité и Fraternité (Свобода, Равенство и Братство).

Съществуването на дъги е много трудно за разбиране, защото законите за движението предвиждат дъгите да се разпространят в един пръстен за много кратко време. Сега се смята, че гравитационното въздействие на Галатея - луна, разположена точно навътре от пръстена, е създало дъгите.

Няколко други пръстена бяха открити от камерите на Вояджър. Освен това тънкият пръстен на Адамс е на около 63 000 км от центъра на Нептун, пръстенът на Леверие е на 53 000 км, а по-широкият и по-малък пръстен на Гале е на 42 000 км. Много малко външно разширение на пръстена Леверие е наречено Ласел; то е заобиколено във външния си край от пръстена Араго на 57 000 км.

Нови наблюдения на Земята, публикувани през 2005 г., показват, че пръстените на Нептун са много по-нестабилни, отколкото се смяташе досега. По-точно, изглежда, че пръстенът Либерте може да изчезне бързо за по-малко от 100 години. Изглежда, че новите наблюдения объркват представата ни за пръстените на Нептун.

Нептун има общо 14 известни луни. Тъй като Нептун е римският бог на морето, луните на планетата са кръстени на по-малки морски богове или богини. Най-голямата и единствената, която е достатъчно голяма, за да има формата на сфера, е Тритон (произнася се:ˈtraɪtən), открита от Уилям Ласел само 17 дни след откриването на самия Нептун. За разлика от всички останали големи планетарни луни Тритон има ретроградна орбита, което показва, че луната вероятно е била завладяна и може би някога е била обект от пояса на Кайпер. Тя е достатъчно близо до Нептун, за да бъде заключена в синхронна орбита, и бавно се движи към Нептун и един ден ще бъде разкъсана, когато премине границата на Рош. Тритон е най-студеният обект, който е измерен в Слънчевата система, с температура от -235 °C (38 K, -392 °F). Диаметърът му е 2700 km (80 % от земната Луна, Луна), масата му е 2,15×1022 kg (30 % от Луна), орбиталният му диаметър е 354 800 km (90 % от Луна), а орбиталният му период е 5,877 дни (20 % от Луна).

Втората известна луна на Нептун (по разстояние), странната луна Нереида, има една от най-необичайните орбити от всички спътници в Слънчевата система.

От юли до септември 1989 г. "Вояджър 2" открива шест нови луни на Нептун. От тях бучковидният Протей е най-големият известен обект, който не е оформен в сфера от собствената си гравитация. Въпреки че е втората по масивност нептунова луна, тя има само една четвърт от един процент от масата на Тритон. Четирите най-близки луни на Нептун - Наяда, Таласа, Деспина и Галатея, обикалят достатъчно близо, за да се намират вътре в пръстените на Нептун.

Следващата най-отдалечена звезда, Лариса, е открита през 1981 г., когато е закрила звезда. На луната се приписва причината за появата на пръстеновидните дъги на Нептун, когато Вояджър 2 наблюдава Нептун през 1989 г. През 2004 г. бяха обявени пет нови необичайни луни, открити между 2002 и 2003 г. Последната луна е открита от изследване на снимки с телескопа Хъбъл на 16 юли 2013 г. Тя е с диаметър само 12 мили, което ѝ позволява да избегне откриване дори от космическия апарат Вояджър 2.

Нептун не може да се види само с невъоръжено око, тъй като нормалната яркост на Нептун е между звездите +7,7 и +8,0, които могат да бъдат засенчени от галилеевите луни на Юпитер, планетата джудже Церера и астероидите 4 Веста, 2 Палас, 7 Ирис, 3 Юнона и 6 Хебе. Телескоп или силен бинокъл ще покаже Нептун като малка синя точка, подобна на Уран. Синият цвят се дължи на метана в атмосферата му. Малкият му очевиден размер го прави труден за визуално изучаване; повечето телескопични данни бяха доста ограничени до появата на космическия телескоп Хъбъл и големите наземни телескопи с адаптивна оптика.

С орбитален период (звезден период) от 164,88 юлиански години Нептун скоро ще се върне (за да бъде открит) на същото място в небето, където е открит през 1846 г. Това ще се случи три различни пъти, също и с четвърти, в който той ще се доближи много близо до това положение. Това са 11 април 2009 г., когато ще бъде в постъпателно движение; 17 юли 2009 г., когато ще бъде в ретроградно движение; и 7 февруари 2010 г., когато ще бъде в постъпателно движение. Той също така ще се доближи много близо до същата точка от откриването му през 1846 г. в края на октомври до началото и средата на ноември 2010 г., когато Нептун ще премине от ретроградно към директно движение на точния градус на откриването му и след това ще спре за момент по еклиптиката в рамките на 2 дъгови минути в тази точка (най-близо на 7 ноември 2010 г.). Това ще бъде последният път за следващите 165 години, когато Нептун ще бъде в точката на откриването си.

Това се обяснява с идеята за ретроградация. Подобно на всички планети и астероиди в Слънчевата система отвъд Земята, Нептун преминава през ретроградация в определени моменти от своя синодичен период. В допълнение към началото на ретроградацията, други събития в рамките на синодичния период включват астрономическа опозиция, връщане към постъпателно движение и съединение със Слънцето.

По своята орбита около Слънцето Нептун се върна в първоначалната си точка на откриване през август 2011 г.

Понастоящем само един космически апарат е посетил Нептун. Сондата "Вояджър 2" на НАСА направи бързо прелитане около планетата, като най-близката среща с нея беше на 25 август 1989 г. Това е последната планета, посетена от поне един космически апарат.

Някои от важните открития на "Вояджър 2" са много близкото прелитане на Тритон, при което са направени снимки на няколко части от луната. Сондата откри и Голямото тъмно петно, макар че то вече е изчезнало, след като през 1994 г. космическият телескоп Хъбъл направи снимки на Нептун. Първоначално се смяташе, че това е голям облак или циклонална буреносна система, но по-късно се предположи, че това е просто дупка във видимата облачна покривка.

Оказа се, че Нептун има най-силните ветрове от всички газови гиганти в Слънчевата система. Във външните райони на Слънчевата система, където Слънцето свети над 1000 пъти по-слабо, отколкото на Земята (все още е много ярко с магнитуд -21), последният от четирите гиганта се случи така, както всъщност очакваха учените. Човек би могъл да си помисли, че колкото по-далеч е една планета от Слънцето, толкова по-малко енергия и топлина ще има, за да се създадат и задвижат много силните ветрове наоколо. Ветровете на Юпитер вече са били със скорост стотици километри в час. Вместо да видят по-бавни ветрове, учените откриват по-бързи ветрове (над 1600 км/ч) на по-отдалечения Нептун.

Едно от възможните предположения за причината за по-високата скорост на ветровете е, че ако се произведе достатъчно енергия, се създава турбуленция, която забавя ветровете (като тези на Юпитер). На Нептун обаче слънчевата енергия е толкова малко, че щом ветровете започнат да се развиват, те срещат много малко съпротивление и са в състояние да поддържат много високи скорости. Така или иначе, Нептун отдава повече енергия, отколкото получава от Слънцето, и вътрешният енергиен източник на тези ветрове остава неустановен.

Снимките, изпратени на Земята от "Вояджър 2" през 1989 г., стават основа на денонощна програма на PBS, наречена "Нептун цяла нощ".