Warto przeczytać

Neptun jest ósmą, a zarazem ostatnią planetą w Układzie Słonecznym. Oddalony jest od Słońca o około 30 au (jednostek astronomicznych)jednostka astronomiczna [au]au (jednostek astronomicznych). To jedyna planeta, która została odkryta na drodze analizy toru innej planety - Urana. Po odkryciu Urana cały czas obserwowano jego ruch na niebie. Odkryto zaburzenia ruchu w stosunku do obliczeń wynikających z praw Newtona. Na tej podstawie obliczono, że takie zaburzenia może powodować ciało o podobnych rozmiarach co Uran, ale oddalone o około 30 au od Słońca. Rozpoczęto poszukiwania ósmej planety, której obecność była dla astronomów oczywista. Dokładnie 23 września 1846 roku astronomowie po raz pierwszy dostrzegli Neptuna przez teleskop na niebie w miejscu oddalonym zaledwie o jeden stopień od położenia, które przewidział (i podał jego współrzędne) Urbain Le Verrier (Francuz). W tym samym czasie obliczeń dokonywał inny astronom, John Couch Adams (Anglik), którego obliczenia różniły się o 12 stopni od rzeczywistego położenia Neptuna. Przez wiele miesięcy toczył się spór pomiędzy krajami o to, kto jest odkrywcą ósmej planety. Ostatecznie po wielu sporach, kłótniach i nieporozumieniach to Le Verrier został uznany za odkrywcę Neptuna.

Ze względu na dużą odległość Neptuna od Ziemi nie jest on widoczny gołym okiem. Jego jasność waha się pomiędzy +7.7 a +8 magmagnitudo [mag] mag. Możemy go badać jedynie przy pomocy dużych teleskopów takich, jak Hubble Space Telescope (więcej na jego temat znajdziesz w e‑materiale pt. „Co wiemy o teleskopie Hubble’a?”), przy pomocy misji kosmicznych oraz z użyciem największych naziemnych teleskopów. Niestety, do tej pory do Neptuna tylko przelotnie zbliżyła się jedna sonda kosmiczna. Było to dokładnie 25 sierpnia 1989 roku. Voyager 2 (więcej na temat misji znajdziesz w e‑materiale pt. „Bezzałogowe misje kosmiczne”) cały czas przemierza Układ Słoneczny w celu badania najdalszych regionów naszego układu planetarnego, ale obok Neptuna i jego dwóch księżyców jedynie przeleciała robiąc serię zdjęć i pomiarów. Dzięki tej misji poznaliśmy dokładny skład chemiczny Neptuna, odkryto pierścienie wokół planety (do tej pory sądzono, że jest tylko jeden) oraz odkryto 6 księżyców.

Neptun należy do grupy planet nazywanych lodowymi olbrzymami. Jest to podgrupa gazowych olbrzymów, które znajdują się daleko od Słońca, przez co w ich skład wchodzą duże ilości lodu. Jest na nich bardzo zimno, więc gazy, które je tworzą są w części zestalone, czyli są bryłami lodu. Standardowy model budowy lodowych olbrzymów zawiera trzy warstwy: jądro, płaszcz i gęstą atmosferę.

W przypadku Neptuna warstwy te są takie:

• skaliste jądro o promieniu poniżej 20% promienia całej planety, masie około 1,2 masy Ziemi,

• duży  lodowy płaszcz o promieniu około 70% promienia planety, masa około 10‑15 mas Ziemi (tyle co cały Uran),

• rozległa  gazowa atmosfera grubości około 20 km.

Jądro Neptuna, składające się głównie z żelaza i krzemianów, jest bardzo ciepłe (5400 K), przez co w płaszczu planety również panuje dodatnia temperatura. Ciśnienie w jądrze jest milion razy większe niż ciśnienie na powierzchni Ziemi oraz dwa razy większe niż w jej jądrze. Im dalej od jądra, tym bardziej temperatura spada, aż do powierzchni, na której panują temperatury ujemne. Na głębokości atmosfery, gdzie panuje ciśnienie 50 barów temperatura wynosi 0 stopni Celsjusza (273 K).

Atmosfera składa się głównie z wodoru i helu, jednak zawiera szczątkowe ilości metanu – około 1%. Mimo, że Uran posiada więcej cząsteczek metanu w górnej warstwie atmosfery, Neptun ma bardziej intensywny odcień niebieski. W przypadku gazowych olbrzymów zawierających metan, kolor planety jest efektem absorpcji światła w pasmach czerwonych i podczerwonych przez cząsteczki metanu. Neptun powinien mieć bledszy odcień niebieskiego. Prawdopodobnie intensywna barwa tej planety nie zależy jedynie od ilości metanu w atmosferze. Inny, nieznany czynnik sprawia, że Neptun ma intensywnie niebieski kolor.

R1XuTGjN1paNh

Rys 1. Ilustracja przedstawia grafikę, na której zaprezentowano strukturę wewnętrzną Neptuna. Na czarnym tle grafiki widoczna jest niebieska kula z wyciętą lewą ćwiartką. Niebieska kula podpisana jest, jako planeta Neptun. W przestrzeni po wyciętej części planety widoczne są jej części wewnętrzne. W samym środku planety znajduje się rdzeń, który składa się ze skały i lodu. Rdzeń widoczny jest w postaci małej brązowej kulki. Rdzeń otoczony jest płaszczem składającym się z wody, amoniaku oraz lodu metanowego. Płaszcz widoczne jest w postaci szarej kuli wokół rdzenia. Wokół płaszcza znajduje się atmosfera widoczna w postaci niebieskiej powierzchni wokół płaszcza. Atmosfera Neptuna składa się z głównie z wodoru, helu i metanu. Nad atmosferą zaznaczono obszar górnej atmosfery widocznej w postaci jasnoniebieskiej powierzchni otaczającej atmosferę. Górna atmosfera stanowi szczyt chmur.

Tabela 1. Podstawowe parametry fizyczne Urana oraz jego orbity.

Planety gazowe nie mają wyraźnej powierzchni, takiej jak ta, którą widzimy na Ziemi i innych planetach skalistych. Na planetach gazowych poziom powierzchni określa się jako przestrzeń w gazie, gdzie ciśnienie wynosi 1 bar (100000 Pa). Poziom określany powierzchnią Neptuna znajduje się w jego atmosferze.

Ri7gUyQYzklaz

Rys. 2. Ilustracja przedstawia grafikę, na której widoczna jest planeta Neptun sfotografowana w kilkugodzinnych odstępach. Grafika składa się z czterech zdjęć. Wszystkie zdjęcia przedstawiają niebieską planetę z jasnopomarańczowymi plamami w kształcie równoległych pasów. Jasnoniebieskie pasy to chmury. Pasy chmur stworzą się w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu planety. Na górnym i lewym zdjęciu obszary chmur widoczne są w lewej i górnej części planety. Na równym i prawym zdjęciu chmury znajdują się w górnej i centralnej części planety. Na zdjęciu widocznym w lewej i dolnej części grafiki chmury są prawie niewidoczne. Na dolnym i prawym zdjęciu, chmury kilka jasnoniebieskich plam widocznych jest w dolnej części planety.

Oś obrotu Neptuna jest nachylona pod kątem około 28Indeks górny o^o do płaszczyzny orbity. Kąt ten jest podobny do nachylenia Ziemi (23Indeks górny o^o) lub Marsa (25Indeks górny o^o). Takie nachylenie sprawia, że na planecie występują pory roku. W przypadku Neptuna jedna pora roku trwa 40 ziemskich lat, bo cały neptuński rok trwa ponad 164 lata ziemskie.

Jedną z głównych różnic pomiędzy Uranem a Neptunem są zjawiska pogodowe występujące w atmosferze. Neptun ma widoczne pasma chmur, regiony burzowe podobne do tych występujących na Jowiszu. Największy region burzowy nazywany jest Wielką Ciemną Plamą. Prędkość wiatrów w tej strukturze chmur osiąga 600 m/s. Mniejszy region burzowy nazywany jest Małą Ciemną Plamą. Burze te pojawiają się i znikają. Czasami tworzą się koliste struktury chmur, które również nazywane są burzami. Ruch chmur w atmosferze odbywa się z różnymi prędkościami: od 20 m/s aż do 400 m/s, w zależności od regionu. Znacząca część chmur porusza się odwrotnie niż obraca się sama planeta. Rozkład pierwiastków w atmosferze zależy od szerokości geograficznej. W okolicy równikowej znajduje się nawet 100 razy więcej metanu i etanu niż w regionach okołobiegunowych. Różnice te prawdopodobnie nie wynikają z wewnętrznych zmian w atmosferze, a związane są z klimatem i zjawiskami atmosferycznymi. Tak silnych zjawisk nie zaobserwowano na Uranie.

R11MJNuEalPva

Rys. 3. Ilustracja przedstawia grafikę, na której zaprezentowano cztery zdjęcia planety Neptun oraz chmur na jej powierzchni. Zdjęcia znajdują się na czarnym tle, jedno obok drugiego a pod każdym z nich widoczna jest data wykonania zdjęcia. Neptun na każdym ze zdjęć widoczny jest w postaci niebieskiej kuli obracającej się wokół osi pochylonej w lewo od kierunku pionowego. Lewe zdjęcie wykonano osiemnastego września dwa tysiące piętnastego roku. W prawej i dolnej części planety widoczne są obracające się pasy chmur z jasnym punktem powiększonym pod zdjęciem. Na drugim od lewej zdjęciu ten sam powiększony obszar widoczny jest w lewej i dolnej części planety. Drugie zdjęcie wykonano szesnastego maja dwa tysiące szesnastego roku. Trzecie zdjęcie od lewej wykonano trzeciego października dwa tysiące szesnastego roku. Śledzony obszar chmur widoczny jest w dolnej i centralnej części planety. Prawe zdjęcie wykonane zostało szóstego października dwa tysiące siedemnastego roku. Śledzony obszar chmur jest ledwie widoczny w dolnej i prawej części planety.

Na wszystkich lodowych olbrzymach prawdopodobnie występują diamentowe deszcze w niższych obszarach atmosfery i w płaszczu, ponieważ warunki tam panujące sprzyjają tworzeniu się diamentów. W głębokich warstwach płaszcza istnieją warunki (odpowiednio wysoka temperatura i ciśnienie), w których diament się rozpuści, ale nie przemieni w grafit. W tych miejscach prawdopodobnie istnieją diamentowe oceany. Warunki fizyczne, jakie prawdopodobnie panują w tak głębokich warstwach lodowych olbrzymów zostały odtworzone w laboratorium. Z tworzywa zawierającego cząsteczki zbudowane z atomu węgla i 4 atomów wodoru (z takich atomów zbudowany jest metan) doświadczalnie otrzymano diamenty, które po zwiększeniu temperatury i ciśnienia roztopiły się. Niestety, potwierdzić tę teorię można jedynie poprzez wysłanie specjalnej sondy w głąb lodowych olbrzymów zawierających metan.

Neptun ma 14 znanych księżyców. Jeden z nich – Tryton – porusza się po kołowej orbicie i jest najmasywniejszym naturalnym satelitą tej planety. Jego masa stanowi 99,5% całej masy, jaka znajduje się na orbitach wokół planety. Jego orbita powoli zacieśnia się, przez co księżyc przesuwa się stronę Neptuna. Z tego powodu za kilka miliardów lat Tryton zostanie rozerwany w polu grawitacyjnym planety. Księżyc ten znajduje się na orbicie zaledwie 30 tysięcy km mniejszej niż orbita naszego Księżyca, ale porusza się po niej 5 razy szybciej. Został odkryty zaledwie 17 dni po Neptunie. Jego ruch wokół planety jest ruchem wstecznym, czyli porusza się przeciwnie niż obraca się planeta. Jest to jedyny znany duży księżyc w Układzie Słonecznym, który porusza się w taki sposób. Prawdopodobnie była to planeta karłowata, która została przechwycona przez pole grawitacyjne Neptuna z pasa Kuipera. Pozostałe 13 księżyców Neptuna to małe ciała niebieskie, które prawdopodobnie również zostały przechwycone z pasa Kuipera. Odkryte zostały dopiero w drugiej połowie XX i na początku XXI wieku. Jeden z nich, Nereida, porusza się po najbardziej wydłużonej orbicie w Układzie Słonecznym. Ekscentryczność tej orbity wynosi ponad 0,75, co oznacza, że księżyc ten w apocentrumapocentrumapocentrum jest siedem razy dalej od Neptuna niż w perycentrumperycentrumperycentrum. Wszystkie księżyce zostały nazwane od imion bóstw morskich (w kolejności występowania): Najada, Talassa, Despoina, Galatea, Larissa, Hippokamp, Proteusz, Tryton, Nereida, Halimede, Sao, Laomedea, Psamathe, Neso.

Neptun ma również pierścienie. Zostały one odkryte przez sondę Voyager 2 – wcześniej sądzono, że jest tam tylko jeden pierścień. To szczątkowe ilości pyłów krzemianowych lub węglowych i lód otaczający planetę. Ich badanie i analiza przez teleskopy naziemne w czasach ich odkrycia była niemożliwa. Dopiero na początku XXI wieku, przy użyciu ogromnych teleskopów, można było rozpocząć dokładniejsze badania tych struktur.

Tak, jak Jowisz ma ogromny wpływ grawitacyjny na pas planetoid (więcej na ten temat w e‑materiale „Z czego zbudowany jest Jowisz?”), tak też Neptun ma duży wpływ na pas Kuipera. Pas Kuipera to pierścień małych lodowych ciał niebieskich i pyłu, znajdujący się tuż za orbitą Neptuna i rozciągający się do odległości około 25 au od niego. Neptun bardzo silnie oddziałuje z drobnymi ciałami znajdującymi się w jego otoczeniu, głównie zmieniając ich orbity. Luka występująca w pasie Kuipera w regionie 40‑42 au od Słońca jest wynikiem destabilizacji orbit. Ponadto Neptun znajduje się w rezonansie orbitalnymrezonans orbitalnyrezonansie orbitalnym z wieloma ciałami znajdującymi się w pasie Kuipera – ogólnie obiekty takie nazywa się transneptunowymi. Najbardziej powszechnym jest rezonans orbitalny 2:3 i 1:2 z obiektami pasa Kuipera. Obiekty znajdujące się w rezonansie 1:2 nazywane są twotino, a obiekty znajdujące się w rezonansie 2:3 nazywane są plutonkami (plutino). Znanych jest co najmniej 200 obiektów należących do plutonek, a najbardziej znanym z nich jest Pluton (planeta karłowata, o której więcej informacji znajduje się w e‑materiale „Planety karłowate – Pluton i Ceres – jak mogą wyglądać?”). Dwa pełne obiegi Plutona to trzy pełne obiegi Neptuna. Drugą najbardziej znaną zależnością pomiędzy Neptunem a ciałami niebieskimi jest rezonans 1:1 z planetoidami nazwanymi trojańczykami. Planetoidy te znajdują się w stałej odległości od Słońca i planety, to znaczy w punktach Lagrange’a lub inaczej w punktach libracji (Rys 4.). Znamy 19 planetoid znajdujących się w punkcie L4 oraz 3 znajdujące się w L5.

RGLbKlosRZa6u

Rys. 4. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczne jest schematyczne przedstawienie punktów Lagrangea na orbicie planety. W centralnej części ilustracji widoczny jest niewielki, żółty okrąg symbolizujący słońce. Przez okrąg przechodzi pozioma oś narysowana czarną i przerywaną linią. Słońce znajduje się w środku okręgu narysowanego również czarną i przerywaną linią. Przerywany okrąg symbolizuje orbitę planety. W punkcie przecięcia poziomej przerywanej osi i okręgu, po prawej strony od Słońca widoczna jest niebieska kropka symbolizująca planetę. Po prawej i lewej stronie planety widoczne są mniejsze czerwone kropki symbolizujące punktu Lagrangea. Lewy punkt opisano wielką literą L z indeksem dolnym jeden a prawą opisano wielką literą L z indeksem dolnym dwa. Nieco po lewej stronie punktu przecięcia poziomej osi z orbitą planety, po lewej stronie od Słońca zaznaczono kolejny czerwony punkt opisany wielką literą L z indeksem dolnym trzy. Ze środka Słońca wychodzą dwa czarne i przerywane promienie orbity. Promienie orbity skierowane są pod kątem sześćdziesięciu stopni w stosunku do kierunku poziomego w prawo, w górę i w dół. W punktach stycznym promieni z orbitą widoczne są kolejne wda czerwone punkty. Górny podpisano wielką literą L z indeksem dolnym cztery a dolny podpisano wielką literą L z indeksem dolnym pięć.

Neptun, jak wszystkie planety gazowe, pozostawia wiele pytań, na które astronomowie cały czas szukają odpowiedzi. Niestety, żadna agencja kosmiczna nie planuje misji kosmicznej mającej na celu dokładniejsze badania Neptuna z orbity wokół planety. NASA rozważa stworzenie sondy, która ponownie przeleci w pobliżu Neptuna i Trytona w podróży do innych ciał niebieskich znajdujących się w pasie Kuipera.

Słowniczek