Neptunus – Aurinkokunnan kahdeksas planeetta: koostumus, renkaat ja myrskyt

Discovery

Ensimmäisen mahdollisen Neptunuksen havaitsemisen uskotaan olevan Galileon tekemä, sillä hänen piirustuksissaan Neptunus näkyi lähellä Jupiteria. Galileoa ei kuitenkaan pidetty löytäjänä, koska hän piti Neptunusta planeetan sijasta kiintotähtenä. Koska Neptunus liikkui hitaasti taivaalla, Galileon pieni kaukoputki ei ollut riittävän vahva havaitsemaan Neptunusta planeettana.

Vuonna 1821 Alexis Bouvard julkaisi tähtitieteelliset taulukot Uranuksen kiertoradasta. Myöhemmät havainnot osoittivat, että Uranus liikkui radallaan epäsäännöllisesti, mikä sai jotkut tähtitieteilijät ajattelemaan, että jokin muu suuri kappale olisi Uranuksen epäsäännöllisen liikkeen syy. Vuonna 1843 John Couch Adams laski kahdeksannen planeetan radan, joka mahdollisesti vaikuttaisi Uranuksen rataan. Hän lähetti laskelmansa kuninkaalliselle tähtitieteilijälle Sir George Airylle, joka pyysi Adamsilta selitystä. Adams alkoi tehdä kopiota vastauksesta, mutta ei koskaan lähettänyt sitä.

Vuonna 1846 Urbain Le Verrier, joka ei työskennellyt Adamsin kanssa, teki omat laskelmansa, mutta ei saanut myöskään ranskalaisilta tähtitieteilijöiltä suurta huomiota. Samana vuonna John Herschel alkoi kuitenkin tukea matemaattista menetelmää ja kannusti James Challisia etsimään planeettaa. Pitkän viivyttelyn jälkeen Challis aloitti vastentahtoisen etsintänsä heinäkuussa 1846. Sillä välin Le Verrier oli saanut Johann Gottfried Gallen suostuteltua etsimään planeettaa.

Vaikka Heinrich d'Arrest oli vielä Berliinin observatorion opiskelija, hän ehdotti, että Le Verrierin ennustaman alueen hiljattain piirrettyä taivaankarttaa voitaisiin verrata nykyiseen taivaaseen, jotta voitaisiin etsiä planeetan sijainnin muutosta kiintotähteen verrattuna. Neptunus löydettiin sitten samana yönä 23. syyskuuta 1846, 1°:n (yhden asteen (kulman)) sisällä siitä, missä Le Verrier oli ennustanut sen olevan, ja noin 10°:n päässä Adamsin ennusteesta. Challis sai myöhemmin selville, että hän oli nähnyt planeetan kahdesti elokuussa, mutta ei ollut tunnistanut sitä huolimattoman työskentelynsä vuoksi.

Luottojen ja nimien ilmoittaminen

Kun uutinen Neptunuksen löytymisestä levisi, ranskalaiset ja britit kiistelivät paljon siitä, kuka ansaitsi kunnian löydöstä. Myöhemmin kansainvälisessä sopimuksessa päätettiin, että sekä Le Verrier että Adams ansaitsivat kunnian yhdessä. Historioitsijat kuitenkin tarkastelivat aihetta uudelleen sen jälkeen, kun vuonna 1998 löydettiin uudelleen "Neptunuksen paperit" (historialliset asiakirjat Greenwichin kuninkaallisesta observatoriosta), jotka tähtitieteilijä Olin Eggen oli ilmeisesti varastanut ja säilyttänyt lähes kolmen vuosikymmenen ajan ja jotka löydettiin uudelleen (hänen omistuksessaan) vasta pian hänen kuolemansa jälkeen. Asiakirjoihin tutustuttuaan jotkut historioitsijat ovat nyt sitä mieltä, että Adams ei ansaitse samanlaista kunniaa kuin Le Verrier.

Pian sen löytämisen jälkeen Neptunusta kutsuttiin väliaikaisesti "Uranuksen ulkopuoliseksi planeetaksi" tai "Le Verrierin planeetaksi". Ensimmäinen nimiehdotus tuli Gallelta. Hän ehdotti nimeä Janus. Englannissa Challis ehdotti nimeä Oceanus. Ranskassa Arago ehdotti, että uuden planeetan nimi olisi Leverrier, mikä ehdotus sai paljon vastustusta Ranskan ulkopuolella. Ranskalaisissa almanakoissa otettiin pikaisesti uudelleen käyttöön Uranuksen nimi Herschel ja uuden planeetan nimi Leverrier.

Samaan aikaan Adams ehdotti erillisestä ja eri syystä Georgian nimen muuttamista Uranukseksi, kun taas Leverrier (pituusasteiden lautakunnan kautta) ehdotti uudeksi planeetaksi Neptunusta. Struve antoi 29. joulukuuta 1846 Pietarin tiedeakatemialle tukensa tälle nimelle. Pian Neptunuksesta oltiin kansainvälisesti monien ihmisten keskuudessa yksimielisiä, ja siitä tuli sitten uuden planeetan virallinen nimi. Roomalaisessa mytologiassa Neptunus oli meren jumala, joka samaistettiin kreikkalaiseen jumalaan Poseidoniin.

Massa ja koostumus

Neptunuksen massa on 10,243×1025 kg, mikä asettaa planeetan Maan ja suurimpien kaasujättiläisten väliin; Neptunuksen massa on seitsemäntoista Maan massaa, mutta vain 1/18 Jupiterin massasta. Neptunuksen ja Uranuksen katsotaan usein kuuluvan kaasujättiläisten alaluokkaan, jota kutsutaan "jääjättiläisiksi", koska ne ovat kooltaan pienempiä ja niiden koostumuksessa on suuria eroja Jupiteriin ja Saturnukseen verrattuna. Auringon ulkopuolisten planeettojen etsinnässä Neptunusta on käytetty vertailukohtana löydetyn planeetan koon ja rakenteen määrittämisessä. Joitakin löydettyjä planeettoja, joilla on samanlainen massa kuin Neptunuksella, kutsutaan usein "Neptuneiksi". aivan kuten tähtitieteilijät kutsuvat erilaisia aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja "Jupitereiksi".

Neptunuksen ilmakehä koostuu enimmäkseen vedystä ja pienemmässä määrin heliumista. Ilmakehässä havaitaan myös pieni määrä metaania. Metaanin tärkeät absorptiokaistat esiintyvät yli 600 nm:n aallonpituuksilla, spektrin punaisessa ja infrapunaosassa. Tämä ilmakehän metaanin aiheuttama punaisen valon absorptio antaa Neptunukselle sen sinisen sävyn.

Koska Neptunus kiertää niin kaukana Auringosta, se saa hyvin vähän lämpöä, sillä ilmakehän ylimmät alueet ovat -218 °C:n (55 K) lämpötilassa. Syvemmällä kaasukerrosten sisällä lämpötila kuitenkin nousee hitaasti. Uranuksen tavoin tämänkin lämpenemisen lähde on tuntematon, mutta erot ovat suuremmat: Neptunus on kauimpana Auringosta sijaitseva planeetta, mutta sen sisäinen energia on riittävän voimakasta synnyttämään nopeimmat aurinkokunnassa havaitut tuulet. Mahdollisia selityksiä on ehdotettu useita, kuten planeetan ytimestä peräisin oleva säteilylämmitys, planeetan syntyessä syntyneen aineen aiheuttaman lämpöjäämän jatkuva säteily avaruuteen ja tropopaussin yläpuolella rikkoutuvat painovoima-aallot.

Neptunuksen sisäpuolen rakenteen uskotaan olevan hyvin samanlainen kuin Uranuksen sisäpuolen rakenteen. Siinä on todennäköisesti noin 15 maapallon massan kokoinen ydin, joka koostuu sulasta kivestä ja metallista ja jota ympäröi kivien, veden, ammoniakin ja metaanin seos. Kovat paineet pitävät tämän ympäröivän seoksen jäisen osan kiinteänä, vaikka ytimen lähellä vallitsee korkea lämpötila. Ilmakehä, joka ulottuu noin 10-20 prosenttia matkasta kohti ydintä, on suurimmaksi osaksi vetyä ja heliumia suurilla korkeuksilla. Ilmakehän alemmilla alueilla on enemmän metaanin, ammoniakin ja veden seoksia. Hyvin hitaasti tämä tummempi ja kuumempi alue sulautuu ylikuumentuneeseen nestemäiseen sisustaan. Paine Neptunuksen keskustassa on miljoonia kertoja suurempi kuin Maan pinnalla. Verrattaessa sen pyörimisnopeutta sen lappeusasteeseen nähdään, että sen massa on keskittynyt vähemmän kohti keskustaa toisin kuin Uranuksen.

Sää ja magneettikenttä

Yksi ero Neptunuksen ja Uranuksen välillä on havaittu (nähty tai mitattu) meteorologinen aktiivisuus. Kun Voyager-avaruusalus lensi Uranuksen ohi vuonna 1986, planeetalla havaittiin lieviä tuulia. Kun Voyager lensi Neptunuksen ohi vuonna 1989, havaittiin voimakkaita sääilmiöitä. Neptunuksen säässä on erittäin aktiivisia myrskyjärjestelmiä. Sen ilmakehässä on aurinkokunnan suurimmat tuulennopeudet, joiden uskotaan johtuvan sisäisestä lämpövirrasta. Päiväntasaajan alueen tavallisten tuulten nopeus on noin 1 200 km/h, kun taas myrskytuulet voivat saavuttaa jopa 2 100 km/h, eli lähes yliäänen nopeuden.

Vuonna 1989 NASAn Voyager 2 -avaruusalus löysi Suuren pimeän pisteen, joka on Euraasian kokoinen sykloninen myrskyjärjestelmä. Myrsky muistutti Jupiterin suurta punaista pilkkua. Marraskuun 2. päivänä 1994 Hubble-avaruusteleskooppi ei kuitenkaan nähnyt Suurta tummaa pilkkua planeetalla. Sen sijaan planeetan pohjoisella pallonpuoliskolla havaittiin uusi myrsky, joka muistutti Suurta pimeää pilkkua. Suuren pimeän pilkun katoamisen syytä ei tiedetä. Yksi mahdollinen teoria on, että lämmön siirtyminen planeetan ytimestä häiritsi ilmakehän tasapainoa ja olemassa olevia kiertokulkuja. Scooter on toinen myrsky, valkoinen pilviryhmä, joka on etelämpänä kuin Suuri Tumma Pilvi. Se sai lempinimen, kun se havaittiin ensimmäisen kerran Voyagerin kohtaamista edeltävinä kuukausina vuonna 1989: se liikkui nopeammin kuin Suuri Tumma Pilkku. Myöhemmissä kuvissa näkyi pilviä, jotka liikkuivat jopa nopeammin kuin Scooter. Wizard's Eye/Dark Spot 2 on toinen eteläinen syklonimyrsky, toiseksi voimakkain myrsky, joka nähtiin vuoden 1989 kohtaamisen aikana. Alun perin se oli täysin pimeä, mutta Voyagerin lähestyessä planeettaa kehittyi kirkas ydin, joka näkyy useimmissa korkeimman resoluution kuvissa.

Muista kaasujättiläisistä poiketen Neptunuksen ilmakehässä näkyy korkeita pilviä, jotka muodostavat varjoja alla olevalle paksulle pilvikerrokselle. Vaikka Neptunuksen ilmakehä on paljon aktiivisempi kuin Uranuksen, molemmat planeetat koostuvat samoista kaasuista ja jäistä. Uranus ja Neptunus eivät ole aivan samantyyppisiä kaasujättiläisiä kuin Jupiter ja Saturnus, vaan pikemminkin jääjättiläisiä, mikä tarkoittaa, että niillä on suurempi kiinteä ydin ja ne ovat myös jäästä. Neptunus on hyvin kylmä, ja vuonna 1989 pilvihuipuissa mitattiin jopa -224 °C:n (-372 °F tai 49 K) lämpötila.

Neptunus muistuttaa Uranusta myös magnetosfäärissään, jonka magneettikenttä on voimakkaasti kallistunut sen pyörimisakseliin nähden 47°:n kulmassa ja joka on vähintään 0,55 säteen (noin 13 500 kilometrin) päässä planeetan fyysisestä keskipisteestä. Vertailemalla näiden kahden planeetan magneettikenttiä tutkijat arvelevat, että äärimmäinen suuntaus saattaa olla ominaista planeetan sisäpuolella oleville virtauksille eikä seurausta Uranuksen sivusuuntaisesta pyörimisliikkeestä. ^[]

Sinisen planeetan ympäriltä on löydetty hyvin pieniä sinisiä renkaita, mutta ne eivät ole yhtä tunnettuja kuin Saturnuksen renkaat. Kun Edward Guinanin johtama ryhmä löysi nämä renkaat, alun perin he ajattelivat, että renkaat eivät ehkä ole täydellisiä renkaita. Voyager 2 osoitti kuitenkin tämän vääräksi. Neptunuksen planeettarenkailla on omituinen "kokkareinen" järjestely. Vaikka syytä ei tällä hetkellä tiedetä, jotkut tutkijat arvelevat, että se saattaa johtua painovoimakontaktista niiden lähellä kiertävien pienten kuiden kanssa. ^[]

Todisteet renkaiden epätäydellisyydestä alkoivat 1980-luvun puolivälissä, kun havaittiin, että tähtien peittymisessä näkyi harvoin ylimääräinen "vilkahdus" juuri ennen tai jälkeen planeetan peittymisen tähteen. Voyager 2:n vuonna 1989 ottamat kuvat ratkaisivat ongelman, kun havaittiin, että rengasjärjestelmässä oli useita heikkoja renkaita. Kaukaisimmalla renkaalla, Adamsilla, on kolme kuuluisaa kaarta, jotka on nykyään nimetty Liberté, Egalité ja Fraternité (vapaus, tasa-arvo ja veljeys).

Kaarien olemassaoloa on hyvin vaikea ymmärtää, koska liikkeen lakien mukaan kaaret levittäytyisivät yhdeksi renkaaksi hyvin lyhyessä ajassa. Nyt ajatellaan, että Galatean, juuri renkaasta sisäänpäin olevan kuun, gravitaatiovaikutus on luonut kaaret.

Voyagerin kamerat havaitsivat useita muita renkaita. Ohut Adamsin rengas on noin 63 000 kilometrin päässä Neptunuksen keskipisteestä, Leverrierin rengas 53 000 kilometrin päässä ja leveämpi, pienempi Gallen rengas 42 000 kilometrin päässä. Leverrierin renkaan hyvin pieni ulompi laajennus on nimetty Lasselliksi; sitä ympäröi ulkoreunastaan 57 000 kilometrin päässä oleva Aragon rengas.

Vuonna 2005 julkaistut uudet Maasta käsin tehdyt havainnot näyttivät osoittavan, että Neptunuksen renkaat ovat paljon epävakaampia kuin aiemmin on luultu. Tarkalleen ottaen näyttää siltä, että Liberté-rengas saattaa kadota ehkä nopeasti, alle 100 vuoden kuluessa. Uudet havainnot näyttävät hämmentävän käsitystämme Neptunuksen renkaista.

Neptunuksella on yhteensä 14 tunnettua kuuta. Koska Neptunus oli roomalainen meren jumala, planeetan kuut nimettiin pienempien merenjumalien tai -jumalatarten mukaan. Suurin ja ainoa tarpeeksi suuri ja pallon muotoinen kuu on Triton (lausutaan: ˈtraɪtən), jonka William Lassell löysi vain 17 päivää itse Neptunuksen löytämisen jälkeen. Toisin kuin kaikilla muilla suurilla planeettojen kuilla, Tritonilla on taantuva kiertorata, mikä osoittaa, että kuu on luultavasti kaapattu ja ehkä joskus ollut Kuiperin vyön kohde. Se on tarpeeksi lähellä Neptunusta ollakseen lukittuna synkroniselle radalle, ja se liikkuu hitaasti Neptunukseen päin, ja jonain päivänä se repeää kappaleiksi, kun se ylittää Rochen rajan. Triton on kylmin mitattu kohde aurinkokunnassa, sillä sen lämpötila on -235 °C (38 K, -392 °F). Sen halkaisija on 2700 km (80 % Maan Kuun, Lunan, halkaisijasta), massa 2,15×1022 kg (30 % Lunan massasta), kiertoradan halkaisija 354 800 km (90 % Lunan massasta) ja kiertoaika 5,877 päivää (20 % Lunan massasta).

Neptunuksen toisen tunnetun kuun (etäisyysjärjestyksessä), parittoman kuun Nereidin, kiertorata on yksi aurinkokunnan satelliittien epätavallisimmista.

Heinäkuusta syyskuuhun 1989 Voyager 2 löysi kuusi uutta Neptunuksen kuuta. Näistä muhkurainen Proteus on suurin tunnettu kohde, jota sen oma painovoima ei ole muokannut palloksi. Vaikka se on toiseksi massiivisin Neptunuksen kuu, sen massa on vain neljännesprosentti Tritonin massasta. Neptunuksen neljä lähintä kuuta, Naiad, Thalassa, Despina ja Galatea, kiertävät tarpeeksi lähellä ollakseen Neptunuksen renkaiden sisällä.

Seuraavaksi kauimpana sijaitseva Larissa löydettiin alun perin vuonna 1981, kun se oli peittänyt tähden. Kuun katsottiin aiheuttavan Neptunuksen rengaskaaret, kun Voyager 2 havaitsi Neptunusta vuonna 1989. Vuonna 2004 ilmoitettiin viidestä uudesta epätavallisesta kuusta, jotka löydettiin vuosina 2002-2003. Viimeisin kuu löydettiin Hubble-teleskoopin imageita tutkimalla 16. heinäkuuta 2013. Sen läpimitta on vain 12 mailia, minkä ansiosta se on voinut välttyä jopa Voyager 2 -avaruusaluksen havaitsemasta.

Neptunusta ei voi nähdä paljain silmin, sillä Neptunuksen normaali kirkkaus on suuruusluokkien +7,7 ja +8,0 välillä, jolloin Jupiterin Galilein kuut, kääpiöplaneetta Ceres ja asteroidit 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno ja 6 Hebe voivat peittää ne. Kaukoputkella tai vahvoilla kiikareilla Neptunus näkyy pienenä sinisenä pisteenä, joka muistuttaa ulkonäöltään Uranusta. Sininen väri johtuu sen ilmakehän metaanista. Sen ilmeisen pieni koko on vaikeuttanut sen visuaalista tutkimista, ja suurin osa teleskooppitiedoista oli varsin rajallisia ennen Hubble-avaruusteleskoopin ja suurten adaptiivisella optiikalla varustettujen maateleskooppien tuloa.

Neptunuksen kiertoaika on 164,88 juliaanista vuotta, ja se palaa pian (löydettäväksi) samaan paikkaan taivaalla, josta se löydettiin vuonna 1846. Tämä tapahtuu kolme kertaa, ja neljännen kerran se tulee hyvin lähelle kyseistä paikkaa. Nämä ovat 11. huhtikuuta 2009, jolloin se on progradisessa liikkeessä, 17. heinäkuuta 2009, jolloin se on retrogradisessa liikkeessä, ja 7. helmikuuta 2010, jolloin se on progradisessa liikkeessä. Se tulee myös hyvin lähelle sitä, että se on lokakuun lopulla ja marraskuun alussa ja puolivälissä 2010 samassa pisteessä kuin vuoden 1846 löydön jälkeen, kun Neptunus kääntyy taantuvasta liikkeestä suoraksi liikkeeksi täsmälleen Neptunuksen löydön asteella ja pysähtyy sitten hetkeksi ekliptikalle kahden kaariminuutin päähän tuosta pisteestä (lähimmillään 7. marraskuuta 2010). Tämä on viimeinen kerta noin 165 vuoteen, kun Neptunus on havaintopisteessään.

Tämä selittyy retrogradation ajatuksella. Kuten kaikki muutkin aurinkokunnan planeetat ja asteroidit maapallon ulkopuolella, Neptunus käy läpi retrogradaation tietyissä kohdissa synodisen jaksonsa aikana. Takautumisen alkamisen lisäksi muita synodisen jakson sisäisiä tapahtumia ovat tähtitieteellinen oppositio, paluu progradiseen liikkeeseen ja konjunktio Auringon kanssa.

Auringon kiertoradallaan Neptunus palasi alkuperäiseen havaintopaikkaansa elokuussa 2011.

Tällä hetkellä vain yksi avaruusalus on käynyt Neptunuksessa. NASAn Voyager 2 -luotain teki nopean ohilennon planeetan ohi ja kohtasi sen lähimmillään 25. elokuuta 1989, ja se oli viimeinen planeetta, jolla on käynyt ainakin yksi avaruusalus.

Voyager 2:n tärkeimpiin löytöihin kuului Tritonin hyvin läheinen ohilento, jossa se otti kuvia useista kuun osista. Luotain löysi myös suuren pimeän pisteen, joka tosin on nyt kadonnut, kun Hubble-avaruusteleskooppi otti kuvia Neptunuksesta vuonna 1994. Alun perin sitä pidettiin suurena pilvenä tai syklonaalisena myrskyjärjestelmänä, mutta myöhemmin sen arveltiin olevan vain reikä näkyvässä pilvikannessa.

Neptunuksella osoittautui olevan voimakkaimmat tuulet kaikista aurinkokunnan kaasujättiläisistä. Aurinkokunnan uloimmilla alueilla, joilla Aurinko paistaa yli 1000 kertaa himmeämmin kuin Maassa (silti hyvin kirkkaana, magnitudi -21), neljästä jättiläisestä viimeinen tapahtui niin kuin tutkijat oikeastaan odottivat. Voisi ajatella, että mitä kauempana planeetta on Auringosta, sitä vähemmän energiaa ja lämpöä olisi hyvin voimakkaiden tuulien luomiseen ja pyörittämiseen. Jupiterin tuulet olivat jo satoja kilometrejä tunnissa. Sen sijaan, että tutkijat olisivat nähneet hitaampia tuulia, he löysivät nopeampia tuulia (yli 1600 kilometriä tunnissa) kaukaisemmalta Neptunukselta.

Yksi mahdollinen arvaus nopeampien tuulten syyksi on, että jos energiaa tuotetaan tarpeeksi, syntyy turbulenssia, joka hidastaa tuulia (kuten Jupiterin tuulia). Neptunuksessa aurinkoenergiaa on kuitenkin niin vähän, että kun tuulet ovat kerran käynnistyneet, ne kohtaavat hyvin vähän vastusta ja pystyvät pitämään hyvin suuren nopeuden. Joka tapauksessa Neptunus luovuttaa enemmän energiaa kuin se saa Auringosta, ja näiden tuulien sisäinen energialähde on edelleen määrittelemättä.

Voyager 2:n vuonna 1989 Maahan lähettämistä kuvista tuli perusta PBS:n koko yön kestävälle ohjelmalle Neptune All Night.