Нептун

Нептун — восьмая и самая дальняя от Солнца планета Солнечной системы. Его масса превышает массу Земли в 17,2 раза и является третьей среди планет Солнечной системы, а по экваториальному диаметру Нептун занимает четвёртое место, превосходя Землю в 3,9 раза. Планета названа в честь Нептуна — римского бога морей.

Обнаружен 23 сентября 1846 года, став первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам. Обнаружение непредсказуемых изменений орбиты Урана породило гипотезу о неизвестной планете, гравитационным возмущающим влиянием которой они и обусловлены. Нептун был найден в пределах предсказанной орбиты. Вскоре был открыт его крупнейший спутник Тритон, а в 1949 году — Нереида. Нептун посещался лишь одним космическим аппаратом, «Вояджером-2», который пролетел вблизи планеты 24–25 августа 1989 года. С его помощью были открыты кольца Нептуна и шесть его спутников. Остальные десять спутников Нептуна открыты в XXI веке.

Открытие Нептуна было своего рода триумфом небесной механики: его присутствие в Солнечной системе сначала «вычислили» теоретики, и лишь после этого планету обнаружили на небе в предсказанном ими месте.

Наблюдения открытого в конце XVIII в. Урана, казалось, давали возможность создать точную теорию его движения, т.е. составить таблицы положений планеты в заранее определённые моменты. Однако сделать это не удалось: в первые десятилетия XIX в. Уран упорно забегал вперёд, а в последующие годы отставал от предвычисленных положений. Пытаясь понять причину «плохого» поведения Урана, учёные пришли к выводу, что за ним находится ещё одна планета Солнечной системы: она-то своим тяготением и сбивает его с пути. Но чтобы найти эту неведомую планету, требовалось по отклонениям Урана от предвычисленных положений узнать характер её движения и положение на небе.

За решение этой трудной задачи взялись двое молодых учёных — англичанин Джон Адамс и француз Урбен Леверье. Оба они добились сходных результатов, но Адамсу не повезло: его расчётам не поверили и наблюдений не начали. Напротив, сразу после получения письма от Леверье, где сообщалось предполагаемое положение неизвестной планеты, немецкий наблюдатель Иоганн Галле приступил к поискам. Уже на следующий день, 23 сентября 1846 г., он обнаружил светило, имеющее заметный диск, координаты которого отличались от координат известных звёзд. Так, «на кончике пера», был открыт Нептун — восьмая большая планета Солнечной системы.

…

Нептун по составу близок к Урану, и обе планеты отличаются от более крупных планет-гигантов — Юпитера и Сатурна. Иногда Уран и Нептун помещают в отдельную категорию «ледяных гигантов». Атмосфера Нептуна, подобно атмосфере Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия, наряду со следами углеводородов и, возможно, азота, однако содержит более высокую долю воды, аммиака и метана. Недра Нептуна и Урана состоят главным образом изо «льдов» и камня. Следы метана во внешних слоях атмосферы являются причиной синего цвета планеты.

Снимок планеты Нептун, полученный 18 июля 2018 года с помощью инструмента MUSE[англ.] на VLT, является самым чётким изображением Нептуна с Земли и резче, чем изображение, полученное с космического телескопа Хаббл.

В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы; по разным оценкам, их скорости могут достигать 600 м/с. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к −220°C. В центре Нептуна температура составляет, по различным оценкам, от 5000 K до 7000—7100 °C, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца и сравнимо с внутренней температурой большинства известных планет. У Нептуна есть слабая и фрагментированная система колец, возможно, обнаруженная ещё в 1960-е годы, но достоверно подтверждённая «Вояджером-2» лишь в 1989 году.

12 июля 2011 года исполнился ровно один нептунианский год — или 164,79 земного года — с момента открытия Нептуна.

…Масса Нептуна (1,02409⋅1026 кг) находится между массой Земли и массой больших газовых гигантов. Экваториальный радиус Нептуна равен 24764 км, что почти в 4 раза больше земного. Нептун и Уран часто считаются подклассом газовых гигантов, который называют «ледяными гигантами» из-за их меньшего размера и иного состава (меньшей концентрации летучих газов).За один полный оборот Нептуна вокруг Солнца наша планета совершает 164,79 оборотаСреднее расстояние между Нептуном и Солнцем — 4,55 млрд км (30,1 а.е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 года. Эллиптическая орбита планеты наклонена на 1,77° относительно орбиты Земли. Эксцентриситет орбиты равен 0,011, поэтому расстояние между Нептуном и Солнцем изменяется на 101 млн км. Осевой наклон Нептуна — 28,32°, что похоже на наклон оси Земли и Марса. В результате этого планета испытывает схожие сезонные изменения. Однако из-за длинного орбитального периода Нептуна времена года длятся около сорока земных лет каждый.Период вращения Нептуна вокруг своей оси составляет около 16 часов. У Нептуна сильнее всех планет Солнечной системы выражено дифференциальное вращение. Период обращения экваториальных слоёв атмосферы составляет около 18 часов, а у полюсов — 12 часов. Это приводит к сильному широтному сдвигу ветров. Магнитное поле планеты делает оборот за 16 часов.

…

Нептун почти не меняет свой блеск, соответствующий примерно 8-й звёздной величине. Так что планету можно увидеть в хороший бинокль, но нужно точно знать, где её искать на небе.

В атмосфере Нептуна (как и Урана) меньше водорода и гелия, чем у Юпитера и Сатурна, а его красивая синева связана с тем, что атмосферный метан эффективно поглощает красные лучи. На Нептуне заметны пятна антициклонов. Самый крупный из них назван Большим Тёмным Пятном. Он украшен по краю белыми облаками; время кругооборота вещества в нём — 16 дней.

В верхних слоях атмосферы обнаружен водород и гелий с небольшим количеством метана. Заметные полосы поглощения метана встречаются на длинах волн выше 600 нм (в красной и инфракрасной части спектра). Как и в случае с Ураном, синий оттенок вызван в основном поглощением красного света метаном. Долгое время считалось, что цвет Нептуна более насыщенно-синий, чем у Урана. Так как содержание метана в атмосфере Нептуна не сильно отличается от такового в атмосфере Урана, предполагалось, что существует также некий, пока неизвестный, компонент атмосферы, способствующий появлению синей окраски. Однако опубликованное в январе 2024 года исследование показало, что на самом деле Нептун и Уран имеют схожий цвет атмосферы, а расхождение в цветах было вызвано иными динамическими диапазонами и дополнительной обработкой фотографий Нептуна с аппарата «Вояджер-2».

По строению и составу Нептун похож на Уран. Весит он чуть больше, а радиус его почти совпадает с радиусом Урана.

Внутреннее строение Нептуна: 1. Верхняя атмосфера, верхние облака 2. Атмосфера, состоящая из водорода, гелия и метана 3. Мантия, состоящая из воды, аммиака и метана 4. Каменно-ледяное ядро

Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 5—10 % массы планеты и 10—20 % её радиуса. Давление атмосферы, вероятно, составляет около 10 ГПа

Магнитное поле Нептуна сходно по силе с земным. Магнитный полюс планеты отстоит от географического на 47°.

Нептун медленно плывёт вокруг Солнца по гигантскому кругу с радиусом в 30 раз большим, чем радиус орбиты Земли. До 1999 г. он будет самой крайней планетой Солнечной системы, так как Плутон, двигаясь по орбите со значительным эксцентриситетом, в этот период находится внутри орбиты Нептуна.

Спутники и кольца

В октябре 1846 г. английский астроном-любитель Уильям Ласселл открыл у Нептуна спутник — Тритон. Спутник оказался необычным: он движется в направлении, противоположном вращению самой планеты. Сейчас установлено, что четыре внешних спутника Юпитера и самый внешний спутник Сатурна — Феба — также являются обратными. Тем не менее Тритон выделяется среди них: его диаметр — 2700 км, и в нём сосредоточена почти вся масса спутниковой системы Нептуна. Кроме того, он обращается очень близко к Нептуну — на расстоянии всего 355 тыс. километров. Обратные спутники других планет имеют диаметры в пределах от 30 до 220 км, содержат ничтожную часть массы своих спутниковых систем угудалены от планет на 13–25 млн километров.

Снимок Нептуна, его колец и спутников, полученный в ближнем инфракрасном диапазоне камерой NIRCam космического телескопа Джеймс Уэбб. (из открытых источников)

В 1949 г. американец Джерард Койпер открыл вторую луну Нептуна диаметром 340 км — Нереиду. Она тоже по-своему уникальна: у её орбиты наибольший эксцентриситет среди спутников Солнечной системы (0,7 5). Расстояние между Нереидой и Нептуном меняется в семь раз от перигея к апогею орбиты. При этом она является самым внешним спутником Нептуна со средним радиусом орбиты 5,5 млн километров. (Таким образом, Тритон остаётся единственным известным внутренним обратным спутником.) Нереида делает оборот вокруг Нептуна за 360, а Тритон — за 6 суток

В августе 1989 г. «Вояджер-2» пролетел возле Нептуна. Этот космический аппарат, пробывший в космосе 12 лет и выработавший практически все запланированные ресурсы, блестяще завершил свою миссию, передав из системы Нептуна 9 тыс. изображений и открыв для нас новый мир на окраине Солнечной системы. Он сфотографировал шесть новых спутников Нептуна с радиусами орбит от 48 до 118 тыс. километров и диаметрами от 50 до 400 км. Эти космические тела черны и покрыты кратерами.

Кольца Нептуна, снятые «Вояджером-2». (из открытых источников)

И снова удивил Тритон: он оказался вторым спутником в Солнечной системе (первый — спутник Сатурна Титан), имеющим значительную атмосферу. Состав атмосферы — азот с примесью метана, а давление на поверхности в 70 тыс. раз меньше земного. Температура на Тритоне –235°C. Это самое холодное тело Солнечной системы, исследованное вблизи. В отличие от остальных спутников Нептуна поверхность Тритона светлая и отражает 70–90% солнечного света.

«Вояджер» открыл на розоватом Тритоне невиданные ранее геологические структуры, трещины и узорча­тые равнины. Метеоритных кратеров на нём почти не сохранилось. Совершенно неожиданно в этом царстве холода обнаружены действующие гейзеры — султаны многокилометровой высоты. Поверхность спутника ледя­ная, при таких низких температурах замерзает не только вода, но и азот. Именно из твёрдого азота состоит южная полярная шапка Тритона, на которой бьют гейзеры. Источником энергии для вулканической деятельности служит солнечный нагрев, вызывающий парниковый эффект в толще прозрачного азотного льда. Когда на южном полюсе Тритона наступает весна (она длится более 40 лет), в полярной шапке образуются подлёдные линзы жидкого азота, прорывающегося наружу в виде гейзеров. На высоте примерно 8–10 км столб гейзера начинает расплываться и разносится ветром в разреженной атмосфере на многие десятки километров. Это эф­фектное зрелище «Вояджер-2» даже сфотографировал, но, к сожалению, с большого расстояния.

В последние годы удалось разгадать тайну происхождения гигантского обратного спутника Нептуна. Компьютерные расчёты свидетельствуют: чем дольше образовывалась спутниковая система, тем больше за­хватывала планета обратных частиц. Чем дальше она отстоит от Солнца, тем медленнее формирует себя и свою спутниковую систему. Около­планетный диск возле Нептуна складывался так медленно, что обратно движущееся вещество стало доминировать в нём и зародился огромный Тритон.

По состоянию на 2024 год известно 16 таких спутников.

Арки в кольцах Нептуна

Особая глава в истории исследований системы Нептуна посвящена его кольцам. После того как в 1977 г. по затмению звезды были обнаружены кольца Урана, аналогичные наблюдения начали проводить для Нептуна. И действительно, в середине 80-х гг. учёные открыли у этой планеты кольца, но очень странные: они были не­полными. В систему колец Нептуна входит 5 компонентов.

Эти разорванные кольца стали называть дугами или арками. Вещество в них распределено нерав­номерно: плотность резко падает у концов дуги. Представить себе стабильное скопление частиц в одной части орбиты очень трудно. Ведь периоды обращения независимых частиц хоть немного, но отличаются, так что всё скопление должно постепенно растянуться вдоль орбиты и превратиться в кольцо.

В августе 1989 г. «Вояджер-2» сфотографировал уникальное образование — три плотные яркие арки, нанизанные на непрерывное узкое и прозрачное пылевое колечко. Внутри арок видна цепь отдельных сгустков на расстоянии нескольких сот километров друг от друга. Исследование арок показывает, что в середине они содержат уплотнение шириной 15 км, окружённое прозрачным пылевым шлейфом шириной 50 км.

Арки в кольцах Нептуна — это отдельные дуги или сгустки частиц, которые наблюдаются в некоторых кольцах планеты. Они представляют собой участки с неравномерным распределением вещества вдоль орбиты.

Первые свидетельства о существовании колец у Нептуна были получены в 1984 году при наблюдении покрытия планетой звезды. Французский астроном Андрэ Браик обнаружил, что при прохождении Нептуна на фоне далёкой звезды свет от неё трижды прерывался какими-то объектами. Эти объекты назвали дугами (арками) и стали считать участками несформировавшегося кольца.

В 1989 году космический аппарат «Вояджер-2» сделал фотографии колец Нептуна, на которых были видны арки. В частности, было обнаружено, что внешнее кольцо Адамса содержит пять ярких арок. Они получили названия: Libertе (Свобода), Egalitе 1 (Равенство 1), Egalitе 2 (Равенство 2), Fraternitе (Братство) и Courage (Храбрость).

Схема спутников и колец Нептуна (из открытых источников)

Механизм образования арок до конца не понятен. Существует несколько гипотез:

— Орбитальные резонансы с спутником Галатеей. Считается, что гравитационное влияние этого спутника может стабилизировать арки, так как эксцентриситеты и наклонения орбит частиц и спутника примерно одинаковы. Резонансы препятствуют равномерному распределению частиц вдоль орбиты.

— Присутствие ещё одного спутника. Некоторые исследования предполагают, что стабильность арок может быть связана с наличием ещё одного спутника Нептуна, который может быть ещё не открыт.

— Эпитероны. По одной из версий, арки представляют собой цепочки эллиптических вихрей антициклонического типа, состоящих из твёрдых частиц. Эти вихри назвали эпитонами. Они взаимодействуют с ближайшим спутником (Галатеей), между собой и с непрерывным пылевым кольцом.

Устойчивость арок остаётся загадкой, так как законы механики предсказывают, что они должны были бы за достаточно короткое время объединиться в однородное кольцо.

У Нептуна известно пять основных колец: Галле, Леверье, Лассел, Араго и Адамса.

Кольца Нептуна состоят из тёмных частиц, в состав которых может входить водяной лёд вместе с силикатами и углеродсодержащими соединениями.

Кольца отражают менее 3% падающего на них света, но при взгляде с неосвещённой стороны выглядят светлее из-за мелких тёмных частиц, хорошо рассеивающих свет.