Neptunusz: a Naprendszer nyolcadik bolygója és kék gázóriás

Discovery

A Neptunusz első lehetséges észlelését Galilei valószínűsíti, mivel rajzai a Jupiter közelében mutatták a Neptunuszt. Galileinek azonban nem tulajdonították a felfedezést, mivel a Neptunuszt nem bolygónak, hanem "állócsillagnak" tartotta. Mivel a Neptunusz lassan mozog az égbolton, Galilei kis távcsöve nem volt elég erős ahhoz, hogy a Neptunuszt bolygóként észlelje.

1821-ben Alexis Bouvard közzétette az Uránusz pályájának csillagászati táblázatait. Későbbi megfigyelések azt mutatták, hogy az Uránusz szabálytalanul mozog a pályáján, ami néhány csillagászt arra késztetett, hogy az Uránusz szabálytalan mozgásának oka egy másik nagy égitest legyen. 1843-ban John Couch Adams kiszámította egy nyolcadik bolygó pályáját, amely esetleg befolyásolhatná az Uránusz pályáját. Számításait elküldte Sir George Airy királyi csillagásznak, aki magyarázatot kért Adams-től. Adams elkezdte elkészíteni a válasz másolatát, de soha nem küldte el.

1846-ban Urbain Le Verrier, aki nem Adamsszel dolgozott együtt, elvégezte saját számításait, de a francia csillagászok figyelmét sem keltette fel. Ugyanebben az évben azonban John Herschel támogatni kezdte a matematikai módszert, és James Challis-t bátorította a bolygó felkutatására. Sok késlekedés után Challis 1846 júliusában kezdte meg akarva-akaratlanul a keresést. Közben Le Verrier meggyőzte Johann Gottfried Galle-t, hogy keresse meg a bolygót.

Bár Heinrich d'Arrest még diák volt a berlini csillagvizsgálóban, felvetette, hogy egy újonnan rajzolt égbolt térképet, a Le Verrier által megjósolt területen, össze lehetne hasonlítani a jelenlegi égbolttal, hogy meg lehessen keresni egy bolygó helyzetének változását egy állócsillaghoz képest. A Neptunuszt aztán még aznap este, 1846. szeptember 23-án fedezték fel, 1°-on (egy fokon (szögön) belül attól a helytől, ahol Le Verrier megjósolta, és körülbelül 10°-ra Adams előrejelzésétől. Challis később kiderítette, hogy augusztusban kétszer is látta a bolygót, és a munkához való gondatlan hozzáállása miatt nem ismerte fel.

Hitelesítés és elnevezés

Miután a Neptunusz felfedezésének híre elterjedt, a franciák és a britek között is sok vita alakult ki arról, hogy kié legyen a felfedezés dicsősége. Később egy nemzetközi megállapodásban úgy döntöttek, hogy Le Verrier és Adams együttesen érdemelte ki az elismerést. A történészek azonban újra áttekintették a témát, miután 1998-ban újra felfedezték a "Neptun-papírokat" (a Királyi Greenwichi Obszervatórium történelmi dokumentumai), amelyeket a jelek szerint elloptak és Olin Eggen csillagász közel három évtizeden át őrizgetett, és csak röviddel a halála után fedezték fel újra (az ő tulajdonában). A dokumentumok áttekintése után egyes történészek most úgy vélik, hogy Adams nem érdemel egyenlő elismerést Le Verrierrel.

Röviddel felfedezése után a Neptunuszt átmenetileg "az Uránusz külső bolygójának" vagy "Le Verrier bolygójának" nevezték. Az első névjavaslat Galle-tól származott. Ő a Janus nevet javasolta. Angliában Challis az Oceanus nevet javasolta. Franciaországban Arago javasolta, hogy az új bolygót Leverrier-nek nevezzék el, ami Franciaországon kívül nagy ellenállásba ütközött. A francia almanachok azonnal újra bevezették a Herschel nevet az Uránuszra és a Leverrier nevet az új bolygóra.

Eközben Adams külön és más okból Adams azt javasolta, hogy a Georgian nevet változtassák meg Uránuszra, míg Leverrier (a Hosszúsági Tanácson keresztül) a Neptunuszt javasolta az új bolygónak. Struve 1846. december 29-én a Szentpétervári Tudományos Akadémia előtt támogatta ezt a nevet. Hamarosan a Neptunuszról nemzetközileg sokan egyetértettek, és ezután ez lett az új bolygó hivatalos neve. A római mitológiában a Neptunusz a tenger istene volt, akit a görög Poszeidón istennel azonosítottak.

Tömeg és összetétel

10,243×1025 kg tömegével a Neptunusz a Föld és a legnagyobb gázóriások között helyezkedik el; a Neptunusz tizenhét földi tömegű, de csak 1/18-a a Jupiter tömegének. A Neptunuszt és az Uránuszt gyakran a gázóriások "jégóriásoknak" nevezett alosztályába sorolják, tekintettel kisebb méretükre és a Jupiterhez és a Szaturnuszhoz képest nagy összetételbeli különbségekre. Az extrasoláris bolygók keresése során a Neptunuszt használták referenciaként a felfedezett bolygó méretének és szerkezetének meghatározásához. Néhány felfedezett, a Neptunuszhoz hasonló tömegű bolygót gyakran "Neptunuszoknak" neveznek. ahogy a csillagászok a különböző naprendszeren kívüli bolygókat "Jupitereknek" nevezik.

A Neptunusz légköre nagyrészt hidrogénből, kisebb részben héliumból áll. A légkörben apró mennyiségű metán is kimutatható. A metán fontos abszorpciós sávjai 600 nm feletti hullámhosszon, a spektrum vörös és infravörös tartományában fordulnak elő. A vörös fénynek a légköri metán általi elnyelése adja a Neptunusz kék árnyalatát.

Mivel a Neptunusz olyan messze kering a Naptól, nagyon kevés hőt kap, a légkör legfelső régiói -218 °C (55 K) hőmérsékletűek. A gázrétegek mélyebb rétegeiben azonban a hőmérséklet lassan emelkedik. Az Uránuszhoz hasonlóan ennek a melegedésnek a forrása ismeretlen, de a különbségek nagyobbak: A Neptunusz a Naptól legtávolabbi bolygó, belső energiája mégis elég erős ahhoz, hogy a Naprendszerben megfigyelhető leggyorsabb szeleket hozza létre. Több lehetséges magyarázatot is felvetettek, köztük a bolygó magjából származó radiogén fűtést, a bolygó születése során a bolygóba hulló anyag által termelt maradék hő folyamatos kisugárzását az űrbe, valamint a tropopauza felett megtörő gravitációs hullámokat.

A Neptunusz belsejének szerkezete feltehetően nagyon hasonló az Uránusz belsejének szerkezetéhez. Valószínűleg van egy körülbelül 15 földtömegű mag, amely olvadt kőzetből és fémből áll, és amelyet kőzet, víz, ammónia és metán keveréke vesz körül. A nagy nyomás miatt a maghoz közeli nagy hőmérséklet ellenére ennek a környező keveréknek a jeges része szilárd halmazállapotban marad. A légkör, amely a középpont felé vezető út 10-20%-áig terjed, nagy magasságban főként hidrogénből és héliumból áll. A légkör alacsonyabb területein több metán, ammónia és víz keveréke található. Nagyon lassan ez a sötétebb és forróbb terület beleolvad a túlhevült folyékony belsejébe. A Neptunusz középpontjában a nyomás több milliószor nagyobb, mint a Föld felszínén. A forgási sebességét a lapultsági fokával összevetve látható, hogy az Uránusszal ellentétben a tömeg kevésbé koncentrálódik a középpont felé.

Időjárás és mágneses mező

A Neptunusz és az Uránusz közötti egyik különbség a megfigyelt (látott vagy mért) meteorológiai aktivitás szintje. Amikor a Voyager űrszonda 1986-ban elrepült az Uránusz mellett, a bolygón enyhe szeleket észleltek. Amikor a Voyager 1989-ben elrepült a Neptunusz mellett, erőteljes időjárási eseményeket figyeltek meg. A Neptunusz időjárása rendkívül aktív viharrendszerekkel rendelkezik. A légkörében a legnagyobb szélsebességű a Naprendszerben, amelyet feltehetően a belső hőáramlás hajt. Az egyenlítői régióban a szokásos szelek sebessége körülbelül 1200 km/h (750 mph), míg a viharrendszerekben a szélsebesség elérheti a 2100 km/h-t, ami közel szuperszonikus sebesség.

1989-ben a NASA Voyager 2 űrszondája felfedezte a Nagy Sötét Foltot, egy Eurázsia méretű ciklonális viharrendszert. A vihar a Jupiter Nagy Vörös Foltjára hasonlított. A Hubble űrteleszkóp azonban 1994. november 2-án nem látta a Nagy Sötét Foltot a bolygón. Ehelyett egy új, a Nagy Sötét Folthoz hasonló vihart találtak a bolygó északi féltekéjén. A Nagy Sötét Folt eltűnésének oka ismeretlen. Az egyik lehetséges elmélet szerint a bolygó magjából történő hőátadás megbontotta a légköri egyensúlyt és a meglévő keringési mintákat. A Scooter egy másik vihar, a Nagy Sötét Foltnál délebbre lévő fehér felhőcsoport. A becenevét akkor kapta, amikor a Voyager 1989-es találkozását megelőző hónapokban először észlelték: gyorsabban mozgott, mint a Nagy Sötét Folt. Későbbi felvételek még a Scooternél is gyorsabban mozgó felhőket mutattak. A Wizard's Eye/Dark Spot 2 egy másik déli ciklonális vihar, a második legerősebb vihar, amelyet az 1989-es találkozás során láttak. Eredetileg teljesen sötét volt, de ahogy a Voyager közelebb ért a bolygóhoz, egy fényes mag alakult ki, amely a legtöbb nagy felbontású felvételen látható.

A többi gázóriástól eltérően a Neptunusz légkörében magas felhők jelenléte látható, amelyek árnyékot vetnek az alatta lévő vastag felhőzetre. Bár a Neptunusz légköre sokkal aktívabb, mint az Uránuszé, mindkét bolygó ugyanazokból a gázokból és jégből áll. Az Uránusz és a Neptunusz nem pontosan olyan típusú gázóriások, mint a Jupiter és a Szaturnusz, hanem inkább jégóriások, ami azt jelenti, hogy nagyobb szilárd maggal rendelkeznek, és szintén jégből állnak. A Neptunusz nagyon hideg, 1989-ben a felhők tetején akár -224 °C-os hőmérsékletet is mértek.

A Neptunusz magnetoszférája is hasonlít az Uránuszéhoz, mágneses mezeje a forgástengelyéhez képest 47°-kal erősen megdől, és legalább 0,55 radiusnyi (kb. 13 500 kilométer) távolságra van a bolygó fizikai középpontjától. A két bolygó mágneses mezejét összehasonlítva a tudósok úgy vélik, hogy a szélsőséges irány a bolygó belsejében lévő áramlásokra lehet jellemző, és nem az Uránusz oldalirányú forgómozgásának eredménye. ^[]

A kék bolygó körül nagyon kis kék színű gyűrűket fedeztek fel, de ezek nem annyira ismertek, mint a Szaturnusz gyűrűi. Amikor ezeket a gyűrűket felfedezte egy Edward Guinan által vezetett csapat, eredetileg úgy gondolták, hogy a gyűrűk nem biztos, hogy teljes gyűrűk. A Voyager 2 azonban bebizonyította, hogy ez téves. A Neptunusz bolygó gyűrűi furcsa, "csomós" elrendezésűek. Bár az okát jelenleg nem ismerik, de egyes tudósok szerint ez a közelükben keringő kis holdakkal való gravitációs kapcsolat miatt lehet. ^[]

A gyűrűk hiányos voltára vonatkozó bizonyítékok először az 1980-as évek közepén kezdődtek, amikor a csillagok fedése során kiderült, hogy a bolygó fedése előtt vagy után ritkán egy extra "villanást" mutatnak, közvetlenül a bolygó fedése előtt vagy után. A Voyager 2 1989-es felvételei oldották meg a problémát, amikor kiderült, hogy a gyűrűrendszer több halvány gyűrűvel rendelkezik. A legtávolabbi gyűrű, az Adams, három híres ívvel rendelkezik, amelyeket ma Liberté, Egalité és Fraternité (Szabadság, Egyenlőség és Testvériség) néven emlegetnek.

Az ívek létezését nagyon nehéz megérteni, mert a mozgástörvények azt mondanák, hogy az ívek nagyon rövid idő alatt egyetlen gyűrűvé terjednek szét. Most úgy gondolják, hogy a Galatea, a gyűrűtől éppen beljebb lévő hold gravitációs hatása hozta létre az íveket.

A Voyager kamerái számos más gyűrűt is felfedeztek. Szintén a Neptunusz középpontjától mintegy 63 000 km-re található a vékony Adams-gyűrű, 53 000 km-re a Leverrier-gyűrű, 42 000 km-re pedig a szélesebb, kisebb Galle-gyűrű. A Leverrier-gyűrű egy nagyon kis külső kiterjedését Lassellnek nevezték el; külső peremén az Arago-gyűrű veszi körül 57 000 km-nél.

A 2005-ben közzétett új földi megfigyelések azt mutatták, hogy a Neptunusz gyűrűi sokkal instabilabbak, mint korábban gondolták. Pontosabban úgy tűnik, hogy a Liberté-gyűrű talán gyorsan, kevesebb mint 100 év alatt eltűnhet. Az új megfigyelések úgy tűnik, hogy a Neptunusz gyűrűiről alkotott elképzeléseinket alaposan összezavarják.

A Neptunusznak összesen 14 ismert holdja van. Mivel a Neptunusz a tenger római istene volt, a bolygó holdjait kisebb tengeri istenekről vagy istennőkről nevezték el. A legnagyobb, és az egyetlen elég nagy ahhoz, hogy gömb alakú legyen, a Triton (ejtsd: ˈtraɪtən), amelyet William Lassell fedezett fel, mindössze 17 nappal magának a Neptunusznak a felfedezése után. Az összes többi nagy bolygóholdtól eltérően a Tritonnak retrográd pályája van, ami azt mutatja, hogy a holdat valószínűleg befogták, és talán egykor a Kuiper-öv egyik objektuma volt. Elég közel van a Neptunuszhoz ahhoz, hogy szinkron pályára álljon, és lassan a Neptunusz felé halad, és egy nap szét fog szakadni, amikor átlépi a Roche-határt. A Triton a Naprendszerben eddig mért leghidegebb objektum, hőmérséklete -235 °C (38 K, -392 °F). Átmérője 2700 km (80%-a a Föld holdjának, a Lunának), tömege 2,15×1022 kg (30%-a a Lunának), keringési átmérője 354 800 km (90%-a a Lunának), keringési ideje 5,877 nap (20%-a a Lunának).

A Neptunusz második ismert holdja (távolsági sorrendben), a Nereid nevű páratlan hold, a Naprendszerben található műholdak közül az egyik legszokatlanabb pályával rendelkezik.

1989 júliusa és szeptembere között a Voyager 2 a Neptunusz hat új holdját fedezte fel. Ezek közül a gömb alakú Proteus a legnagyobb ismert objektum, amelyet nem a saját gravitációja formált gömbbé. Bár ez a második legnagyobb tömegű Neptunusz-hold, tömege a Triton tömegének mindössze egynegyed százaléka. A Neptunusz négy legközelebbi holdja, a Naiad, a Thalassa, a Despina és a Galatea elég közel kering ahhoz, hogy a Neptunusz gyűrűin belül legyen.

A következő legtávolabbi, a Larissa eredetileg 1981-ben fedezték fel, amikor egy csillagot fedett el. A holdnak tulajdonították a Neptunusz gyűrűívének kialakulását, amikor a Voyager 2 1989-ben megfigyelte a Neptunuszt. Öt új, 2002 és 2003 között felfedezett szokatlan holdat jelentettek be 2004-ben. A legutóbbi holdat 2013. július 16-án fedezték fel a Hubble-teleszkóp imágóinak vizsgálatából. Átmérője mindössze 12 mérföld, így még a Voyager 2 űrszonda által is elkerülte az észlelést.

A Neptunusz szabad szemmel nem látható, mivel normál fényessége +7,7 és +8,0 magnitúdó között van, amit a Jupiter Galilei-holdjai, a Ceres törpebolygó és a 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno és 6 Hebe aszteroidák túlragyognak. Távcsővel vagy erős távcsővel a Neptunusz egy kis kék pontként látszik, hasonlóan az Uránuszhoz. A kék színt a légkörében lévő metán adja. Kis nyilvánvaló mérete miatt nehéz vizuálisan tanulmányozni; a legtöbb távcsöves adat meglehetősen korlátozott volt a Hubble-űrteleszkóp és az adaptív optikával rendelkező nagy földi távcsövek megérkezéséig.

A Neptunusz 164,88 júliusi év keringési idejével (sziderikus periódus) hamarosan visszatér (felfedezés céljából) ugyanoda az égbolton, ahol 1846-ban felfedezték. Ez három különböző alkalommal fog megtörténni, egy negyedik alkalommal is, amikor nagyon közel kerül ahhoz a pozícióhoz. Ezek 2009. április 11., amikor prográd mozgásban lesz; 2009. július 17., amikor retrográd mozgásban lesz; és 2010. február 7., amikor prográd mozgásban lesz. Nagyon közel kerül ahhoz is, hogy az 1846-os felfedezés óta ugyanazon a ponton legyen 2010. október végén és 2010. november elején-közepén, amikor a Neptunusz retrográdból direkt mozgásba fordul pontosan a Neptunusz felfedezésének fokán, majd egy pillanatra megáll az ekliptika mentén 2 ívpercen belül az említett ponton (legközelebb 2010. november 7-én). Ez lesz az utolsó alkalom körülbelül a következő 165 évben, hogy a Neptunusz a felfedezési ponton lesz.

Ezt a retrográdia gondolata magyarázza. Mint minden bolygó és aszteroida a Naprendszerben a Földön kívül, a Neptunusz is retrográdáción megy keresztül a szinódikus periódusa bizonyos pontjain. A retrográdáció kezdetén kívül a szinódikus időszakon belüli egyéb események közé tartozik a csillagászati oppozíció, a prográd mozgásba való visszatérés és a Nappal való konjunkció.

A Neptunusz a Nap körüli pályáján 2011 augusztusában tért vissza eredeti felfedezési pontjához.

Jelenleg csak egy űrszonda járt a Neptunuszon. A NASA Voyager 2 űrszondája 1989. augusztus 25-én, a legközelebbi találkozással egy gyors elrepülést hajtott végre a bolygó mellett, és ez volt az utolsó bolygó, amelyet legalább egy űreszköz meglátogatott.

A Voyager 2 fontos felfedezései közé tartozott a Triton nagyon közeli elrepülése, amelynek során a hold több részének felvételei készültek. A szonda felfedezte a Nagy Sötét Foltot is, bár az mára eltűnt, miután a Hubble űrteleszkóp 1994-ben képeket készített a Neptunuszról. Eredetileg úgy gondolták, hogy egy nagy felhő vagy ciklonális viharrendszer, később azonban úgy vélték, hogy csak egy lyuk a látható felhőzetben.

Kiderült, hogy a Naprendszer gázóriásai közül a Neptunusznak van a legerősebb szele. A Naprendszer külső régióiban, ahol a Nap több mint 1000-szer halványabban ragyog, mint a Földön (még mindig nagyon fényes, -21-es magnitúdóval), a négy óriás közül az utolsó valóban úgy történt, ahogy a tudósok valójában várták. Azt gondolhatnánk, hogy minél távolabb van egy bolygó a Naptól, annál kevesebb energia és hő áll rendelkezésre a nagyon erős szelek létrehozásához és működtetéséhez. A Jupiteren a szelek már több száz kilométer per órásak voltak. Ahelyett, hogy lassabb szeleket láttak volna, a tudósok a távolabbi Neptunuszon gyorsabb (1600 km/h feletti) szeleket találtak.

A gyorsabb szélsebesség egyik lehetséges oka az, hogy ha elegendő energia keletkezik, akkor turbulencia jön létre, ami lelassítja a szeleket (mint a Jupiter esetében). A Neptunuszon azonban olyan kevés a napenergia, hogy ha egyszer beindulnak a szelek, nagyon kevés ellenállásba ütköznek, és képesek nagyon nagy sebességet tartani. Mindenesetre a Neptunusz több energiát ad ki, mint amennyit a Naptól kap, és e szelek belső energiaforrása továbbra is meghatározatlan.

A Voyager 2 által 1989-ben a Földre küldött képek szolgáltak a PBS egész estés Neptune All Night című műsorának alapjául.