193 (Планета Нептун)

Содержание

Введение

1. История открытия

1.1. Название

1.2. Статус

2. Физические характеристики

2.1. Внутреннее строение

2.2. Атмосфера

2.3. Магнитосфера

2.4. Кольца

3. Климат

3.1. Штормы

3.2. Внутреннее тепло

4. Орбита и вращение

5. Образование и миграция

6. Спутники

7. Наблюдения

Заключение

Введение

Чаще всего приходится вычислять возмущения гравитационного поля по известному расположению других тел. При исследовании траектории Урана задача стояла противоположенная: зная возмущения, необходимо было найти место вызывающей их планеты. Эту задачу решили астроном Леверье и ученый Адамс. Только одними математическими расчетами, они указали место на небе, где должна находиться неизвестная планета. Когда на это место астроном Галле направил телескоп, то нашел новую планету. Так состоялось открытие людьми планеты – Нептун.

Это открытие еще раз доказывало, что теория строения Вселенной созданная Коперником верна, факт обнаружения Нептуна исключительно по расчетам подтвердил правильность ньютоновских формул, на которых были основаны все расчеты в астрономии.

Подозрения на неверность этих законов возникли после того, как открыли Уран, было замечено, что его орбита не согласуется с законами Ньютона. Таким образом, было предсказано существование другой, более отдаленной планеты, которая воздействовала на орбиту Урана. Нептун первыми наблюдали Galle и d'Arrest 23 сентября 1846 года очень близко к местонахождению, независимо предсказанному Adams и Verrier из вычислений, основанных на наблюдаемых положениях Юпитера, Сатурна и Урана.

Нептун был посещен только одним космическим кораблем – "Вояджером 2", это произошло 25 августа 1989 года. Почти все, что мы знаем об этой планете, мы знаем благодаря этой экспедиции. В данной работе я изложу данный известный материал.

1. История открытия

Зарисовки Галилео Галилея показывают, что 28 декабря 1612 года, а затем 29 января 1613 года он наблюдал Нептун. Однако в обоих случаях Галилей принял планету за неподвижную звезду в соединении с Юпитером на ночном небе. Поэтому открытие Нептуна не приписывают Галилею.

Во время первого периода наблюдений в декабре 1612 года Нептун был в точке стояния, как раз в день наблюдений он перешёл к попятному движению. Видимое попятное движение наблюдается, когда Земля обгоняет по своей орбите внешнюю планету. Поскольку Нептун был вблизи точки стояния, движение планеты было слишком слабым, чтобы быть замеченным с помощью маленького телескопа Галилея.

В 1821 году Алексей Бувард опубликовал астрономические таблицы орбиты Урана. Более поздние наблюдения показали существенные отклонения от таблиц. Это привело Буварда к предположению, что неизвестное пока тело возмущает орбиту Урана своей гравитацией. В 1843, Джон Кауч Адамс вычислил орбиту гипотетической восьмой планеты, чтобы объяснить изменения в орбите Урана. Он послал свои вычисления сэру Джорджу Эйри, королевскому астроному, а тот в ответном письме попросил у Куча разьяснений. Адамс начал набрасывать ответ, но почему-то так и не отправил его и в дальнейшем не настаивал на серьёзной работе над проблемой Урана.

Урбен Леверье независимо от Адамса в 1845–1846 годы быстро провёл свои собственные расчёты, но соотечественики не разделяли его энтузиазма. В июне, ознакомившись с первой опубликованной Леверье оценкой долготы планеты и её схожести с оценкой Адамса, Эйри убедил директора Кембриджской обсерватории Джеймса Чайлза начать поиски планеты. Чайлз безуспешно обыскивал небо в поисках восьмой планеты в течение августа и сентября. На деле Чайлз дважды наблюдал Нептун, но вследствие того, что он отложил обработку результатов наблюденикй на более поздний срок ему не удалось своевременно идентифицировать искомую планету.

Тем временем, Леверье удалось убедить астронома Берлинской обсерватории Иоганна Готфрида Галле заняться поисками планеты. Гейнрих д’Арре, студент обсерватории, предложил Галле сравнить недавно нарисованную карту неба в районе предсказанного Леверье местоположения с видом неба на текущий момент, чтобы заметить передвижение планеты относительно неподвижных звёзд. Планета была обнаружена в первую же ночь примерно после одного часа поисков. Вместе с директором обсерватории, Иоганном Энке, в течение двух ночей они продолжили наблюдение участка неба, где находилась планета, в результате чего им удалось обнаружить её передвижение относительно звёзд, и убедиться, что это действительно новая планета. Нептун был обнаружен 23 сентября 1846 года, в пределах 1° от координат, предсказанных Леверье, и примерно в 12° от координат, предсказанных Адамсом.

Вслед за открытием последовала большая конкуренция между англичанами и французами за право считать открытие Нептуна своим. В конечном счёте консенсус был найден, и было принято решение считать Адамса и Леверье сооткрывателями. В 1998 году были вновь найдены так называемые «бумаги Нептуна» (имеющие историческое значение бумаги из Гринвичской обсерватории), которые были незаконно присвоены астрономом Олином Дж. Эггеном и хранились у него в течение почти трёх десятилетий, и были найдены в его владении только после его смерти. После пересмотра документов некоторые историки теперь полагают, что Адамс не заслуживает равных с Леверье прав на открытие Нептуна. Это, впрочем, подвергалось сомнениям и ранее, например, Деннисом Реулинсом, ещё с 1966 года. В 1992 году в статье в журнале «Dio» он назвал требования британцев признать равноправие Адамса на открытие воровством. «Адамс проделал некоторые вычисления, но он был довольно неуверен в том, где находится Нептун» – сказал Николас Коллеструм из Университетского колледжа Лондона в 2003 году.

1.1 Название

Некоторое время после открытия Нептун обозначался просто как «внешняя от Урана планета» или как «планета Леверье». Первым, кто выдвинул идею об официальном наименовании, был Галле, предложивший название Янус. В Англии Чайлз предложил другое название: Океан.

Утверждая, что имеет право дать наименование открытой им планете, Леверье предложил назвать её Нептуном, ложно утверждая, что такое название одобрено французским бюро долгот. В октябре он пытался назвать планету по своему имени, «Леверье», и был поддержан директором обсерватории Франсуа Араго, однако эта инициатива натолкнулась на существенное сопротивление за пределами Франции. Французские альманахи очень быстро вернули название Гершель для Урана, в честь её первооткрывателя Уильяма Гершеля, и Леверье для новой планеты.

Директор Пулковской обсерватории Василий Струве отдал предпочтение названию «Нептун». О причинах своего выбора он сообщил на съезде Императорской Академии наук в Петербурге 29 декабря 1846 года. Это название получило поддержку за пределами России и вскоре стало общепринятым международным наименованием планеты.

В римской мифологии Нептун – бог моря и соответствует греческому Посейдону.

1.2 Статус

С момента открытия и до 1930 года Нептун был самой далёкой от Солнца известной планетой. После открытия Плутона Нептун стал предпоследней планетой, за исключением 1979–1999 годов, когда Плутон находился внутри орбиты Нептуна. Однако исследование пояса Койпера в 1992 году привело к тому, что многие астрономы стали обсуждать вопрос о том, считать Плутон планетой или частью пояса Койпера. В 2006 году Международный астрономический союз принял новое определение термина «планета» и классифицировал Плутон как карликовую планету, и, таким образом, вновь сделал Нептун последней планетой Солнечной системы.

2. Физические характеристики

С массой в 1,0243×1026 кг Нептун является промежуточным звеном между Землёй и большими газовыми гигантами. Его масса в 17 раз превосходит Земную, но составляет лишь 1/19 от массы Юпитера. Экваториальный радиус Нептуна равен 24,764 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 большей концентрации летучих веществ. При поиске экзопланет Нептун используется как метоним: обнаруженные экзопланеты со схожей массой часто называют «Нептунами», также часто астрономы используют как метоним Юпитер: («Юпитеры»).

2.1 Внутреннее строение

Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 10-20 процентов от общей массы планеты, и расстояние от поверхности до конца атмосферы составляет 10-20 % расстояния от поверхности до ядра. Вблизи ядра давление может достигать 10 гигапаскалей. Объёмные концентрации метана, аммиака и воды найдены в нижних слоях атмосферы.

Постепенно эта более тёмная и более горячая область уплотняется в перегретую жидкую мантию, где температуры достигают 2000-5000 кельвинов. Масса мантии Нептуна превышает Земную в 10-15 раз, по разным оценкам, и богата водой, аммиаком, метаном и прочими соединениями. Как является общепринятым в планетологии, эту материю называют ледяной, даже при том, что это – горячая, очень плотная жидкость. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводимостью, иногда называют океаном водного аммиака.

Внутреннее строение Нептуна:

1. Верхняя атмосфера, верхние облака

2. Атмосфера, состоящая из водорода, гелия и метана

3. Мантия, состоящая из воды, аммиака и метанового льда

4. Каменно-ледяное ядро

На глубине 7000 километров условия таковы, что метан разлагается на алмазные кристаллы, которые «падают» на ядро. Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов. Ядро, как полагают, весит в 1,2 раза больше Земли. Давление в центре достигает 7 мегабар, что в миллионы раз больше, чем на поверхности Земли. Температура в центре, возможно, достигает 5400 кельвинов.

2.2 Атмосфера

В верхних слоях атмосферы обнаружен водород и гелий. Они составляют 80 и 19 % атмосферы на этой высоте, соответственно. Также наблюдаются следы метана. Заметные полосы поглощения метана встречаются на длинах волн выше 600 нм в красной и инфракрасной части спектра. Как и в случае с Ураном, поглощение красного света метаном – часть того, что придаёт атмосфере Нептуна синий оттенок, хотя яркая лазурь Нептуна отличается от более умеренного аквамаринового цвета Урана. Так как содержание метана в атмосфере Нептуна не сильно отличается от содержания метана в атмосфере Урана, полагают, что всё же некий пока неизвестный компонент атмосферы способствует синему цвету. Атмосфера Нептуна подразделяется на 2 основные области: более низкая тропосфера, где температура падает с высотой, и стратосфера, где температура с высотой увеличивается. Граница между ними, тропопауза, находится на уровне давления в 0,1 баров. Стратосфера замещается термосферой на уровне давления ниже, чем 10-4 – 10-5 микробаров. Термосфера постепенно переходит в экзосферу. Модели тропосферы Нептуна позволяют полагать, что она состоит из облаков переменных составов, в зависимости от высоты. Облака верхнего уровня находятся на уровне давления ниже одного бара, где температура, подходящая для конденсации метана.

При давлении между одним и пятью барами, как полагают, формируются облака аммиака и сульфида водорода. При давлении более 5 баров облака могут состоять из того же аммиака, сульфида аммония, сульфида водорода и воды. Более глубоко, при давлении в приблизительно 50 бар, могут быть облака из водяного льда, там температура равна 0 C°, не исключено, что и там могут быть найдены облака из аммиака и сульфида водорода. Высотные облака Нептуна наблюдались по отбрасываемым ими теням на непрозрачный облачный слой ниже уровнем. Среди них выделяются облачные полосы, которые «обёртываются» вокруг планеты на постоянной широте. У этих периферических групп ширина достигает 50-150 километров, и находятся они на 50-110 км выше основного облачного слоя. Изучение спектра Нептуна позволяет предполагать, что его более низкая стратосфера затуманена из-за конденсации продуктов ультрафиолетового фотолиза метана, таких, как этан и ацетилен. В стратосфере также обнаружены следы циановодорода и угарного газа. Стратосфера Нептуна более тёплая, чем стратосфера Урана из-за более высокой концентрации углеводородов. По невыясненным причинам, термосфера планеты имеет аномально высокую температуру в приблизительно 750 кельвинов. Для столь высокой температуры планета слишком далека от Солнца, чтобы оно могло так разогреть термосферу ультрафиолетовой радиацией. Возможно, это следствие атмосферного взаимодействия с ионами в магнитном поле планеты. Другой кандидат на механизм разогревания: волны гравитации из внутренних областей планеты, которые рассеиваются в атмосфере. Термосфера содержит следы угарного газа и воды, которая попала туда, возможно, из внешних источников, таких, как метеориты и пыль.

2.3 Магнитосфера

И своей магнитосферой, и магнитным полем, сильно наклонённым на 47° относительно его оси вращения, и распространяющегося на 0,55 от радиуса планеты (приблизительно 13500 км), Нептун напоминает Уран. До прибытия к Нептуну «Вояджера – 2» учёные полагали, что наклонённая магнитосфера Урана была результатом его «бокового вращения». Однако после сравнения магнитных полей этих двух планет учёные теперь полагают, что такая странная ориентация магнитосферы в пространстве может быть вызвана приливами во внутренних областях. Такое поле может появиться благодаря конвективным перемещениям жидкости в тонкой сферической прослойке электропроводных жидкостей этих двух планет (предполагаемая комбинация из аммиака, метана и воды), что приводит в действие гидромагнитное динамо. Магнитное поле на экваториальной поверхности Нептуна оценивается в 1,42 μT в течение магнитного момента 2,16×1017 Tm³. Магнитное поле Нептуна имеет комплексную геометрию, которая включает относительно большие привзносы от не биполярных компонетов, включая сильный квадрупольный момент, который по мощности может превышать дипольный. В противоположность – у Земли, Юпитера и Сатурна относительно небольшой квадрупольный момент, и их поля менее отклонены от полярной оси. Головная ударная волна Нептуна, где магнитосфера начинает замедлять солнечный ветер, проходит на расстоянии в 34,9 планетарных радиусов. Магнитопауза, где давление магнитосферы уравновешивает солнечный ветер, находится на расстоянии в 23–26,5 радиусов Нептуна. Хвост магнитосферы длится примерно до расстояния в 72 радиуса Нептуна, и очень вероятно, что гораздо дальше.

2.4 Кольца

У Нептуна есть кольцевая система, хотя гораздо менее существенная, чем, к примеру, у Сатурна. Кольца могут состоять из ледяных частиц, покрытых силикатами, или основанным на углероде материалом, которые наиболее вероятно придаёт им красноватый оттенок. В систему колец Нептуна входит 5 компонентов. Относительно узкое, самое внешнее, расположенное в 63 тысячах километров от центра планеты – кольцо Адамса; кольцо Леверье на удалении в 53000 километров от центра и более широкое; более слабое кольцо Галле на расстоянии в 42000 километров. Слабое продление кольца Леверье наружу называется Лассел, и оно ограничено своим внешним краем – кольцом Араго – на расстоянии в 57000 километров. Первое кольцо Нептуна было обнаружено в 1968 году командой астрономов во главе с Эдвардом Гайненом Но позже считалось, что это кольцо могло быть неполным, дефектным. Такое мнение возобладало после наблюдения за покрытием колец звездой в 1984 году, когда кольца затмили звезду во время её входа в тень, а не по выходу из неё Изображения «Вояджера-2» от 1989 года уладили эту проблему, поскольку было обнаружено ещё несколько слабых колец, но с достаточно массивной структурой. Причина этого так и не выяснена до сих пор, но это могло произойти из-за гравитационного взаимодействия с маленькими спутниками на орбите поблизости от колец. Наиболее удалённое кольцо Адамс, как теперь известно, содержит 5 «дужек» под названием: «Храбрость», «Liberté», «Egalité 1», «Egalité 2», и «Fraternité» (Свобода, равенство и братство). Существование этих дуг было трудно объяснить, потому что законы механики предсказывают, что дуги должны были бы за достаточно короткий момент времени соединиться в однородное кольцо. Считалось, что в таком положении дуги удерживает гравитационный эффект спутника Нептуна – Галатеи, которая обращается вокруг Нептуна вблизи от внутренней границы кольца Адамса. Однако новые исследования показывают, что влияние гравитации Галатеи недостаточно для того, чтобы удерживать материал колец в том положении, в котором он находится сейчас. Наблюдаемые результаты можно объяснить присутствием ещё одного спутника Нептуна, который может иметь достаточно малый размер (до 6 км), и вследствие этого может быть ещё не открыт. Наблюдения с поверхности Земли, опубликованные в 2005 году, показали, что кольца Нептуна намного более непостоянны, чем ранее мыслилось. Изображения, полученные обсерваторией Кек (Гавайские острова) в 2002 и 2003 году показывают значительные перемены по сравнению с изоображениями «Вояджера-2». В частности, кажется что дуга «Liberté» может исчезнуть всего через столетие.