Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

13.

Широко известна история открытия Нептуна в 1846 г.: следуя вычислениям Урбена Леверье (1811—1877), его обнаружили Иоганн Готфрид Галле (1812—1910) и Генрих Луи Д’Арре (1822—1875). Но есть свидетельства, что его видели и раньше. За 234 года до фактического открытия Нептуна его заметил Галилей, наблюдая спутники Юпитера и фиксируя их положение относительно звезд. 28 декабря 1612 г. Галилей отметил рядом с Юпитером две звезды. Спустя месяц, 28 января 1613 г., он вновь сравнил их положение и записал в дневнике: «за неподвижной звездой следует другая, по той же прямой линии… которая наблюдалась вчера ночью, но тогда они отстояли дальше друг от друга». Только через 366 лет, когда современные исследователи заинтересовались, что же видел Галилей, выяснилось, что одной из «звезд» был Нептун.

Другая историческая запись относится к 1670 г., когда Джон Флемстид (1646—1719) нанес Нептун на карту, приняв его за звезду.

В августе 1989 г. аппарат США «Вояджер-2» вышел к Нептуну и провел большую программу наблюдений. Его сближение с планетой превратилось в торжество исследований космоса. По существу, миссия «Вояджера» привела к полному обновлению сведений обо всем семействе планет-гигантов. За время полета аппарат передал в целом 115 тыс. телевизионных снимков, в том числе 9 тыс. — в сближении с Нептуном.

Планета-океан?

Один из лучших снимков Нептуна, сделанных «Вояджером», приведен на рис. Планета имеет характерную аквамариновую окраску, еще более глубокого тона, чем у Урана. Это объясняется присутствием сильных метановых полос поглощения в красной части спектра. Метан в атмосфере Нептуна (как и у других планет-гигантов) составляет лишь малую примесь, около 1%. Атмосфера состоит главным образом из водорода и гелия, причем гелия больше, чем в атмосфере Урана: его доля около 15% или даже чуть больше (но заведомо меньше 25%). Почти все остальное — водород. Высота атмосферы может достигать 3—5 тыс. км., а давление на ее дне 200 кбар. Для перехода водорода в жидкомолекулярное состояние, как у Юпитера, этого недостаточно.

По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Предложенная для Урана (и, по-видимому, не подтвердившаяся) гипотеза «о горячем перемешивающемся водяном океане», оказывается справедливой для Нептуна. Если предварительные выводы правильны, Нептун окажется самым большим океаном в Солнечной системе. Один из сильных аргументов в пользу океана — это странное магнитное поле Нептуна.

Хотя в атмосфере планеты метан составляет лишь малую часть, полагают, что он в большом количестве входит в ледяную мантию планеты. При давлении около 1 Мбар смесь воды, метана и аммиака может образовать твердые или газожидкие льды даже при очень высоких температурах — от 2000 до 5000 К. На долю ледяной мантии приходится до 70% всей массы планеты, причем основная ее часть — вода.

Около 25% массы Нептуна приходится на его ядро, состоящее из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов. Ядро должно включать также много хондритных материалов, которые в обилии присутствовали в протопланетном облаке на стадии формирования планет.

Теоретические модели позволяют представить несколько различных вариантов внутреннего строения Нептуна, выбирать между которыми можно только на основе экспериментальных данных. Типичная модель дает давление в центре планеты 6—8 Мбар и температуру в ядре около 7000 К. Критический параметр для всех моделей — безразмерный момент инерции планеты, который до «Вояджера» принимался равным 0,29. По результатам пролета его удалось уточнить (0,26), поэтому набор возможных моделей значительно сузился.

Различия между Нептуном и Ураном

Своеобразие недр Нептуна проявляется в его тепловом излучении. Поток солнечного тепла у его орбиты в 2,46 раза меньше, чем вблизи Урана, а отражательные свойства обеих планет близки: в видимой части спектра они отражают около 85% падающего солнечного света, поэтому энергетический бюджет Нептуна очень невелик (полпроцента земного). Напомним, что Уран имеет весьма «спокойную» метеорологию. Но ожидание, что на Нептуне атмосферные течения будут еще слабее, не подтвердилось. Уже наземные измерения позволяли предположить, что Нептун выделяет значительный поток энергии. «Вояджер» показал, что этот поток намного (в 2,7 раза) больше того, что планета получает от Солнца. Температура теплового излучения Нептуна достигает 59,3 К, что даже выше, чем у Урана (59,1 К).

Те гипотезы, которые успешно объясняли большое тепловыделение у Юпитера и Сатурна, здесь не годятся. Предполагается, что значительный избыток тепла порождают хондритные материалы, выделяющие немало энергии в радиоактивном распаде.

Диск планеты не слишком богат деталями — ровный голубой фон со слабо выраженными поясами, несколько темных пятен и несколько групп очень светлых облаков. Возможно, «Вояджер» застал Нептун в не самом эффектном виде. Лучшие наземные снимки, полученные в начале 1980-х гг. с ПЗС-камерой в спектральной полосе поглощения метана 890 нм., позволяют различить большие, в четверть диска, светлые пятна. Это были расположенные высоко в атмосфере облака из твердых аэрозольных частиц неизвестного состава. Подобные же снимки были получены и в конце 1990-х гг. (Они требуют большого труда и применения новейших приборов и технологий, потому что даже в хороших астрономических условиях изображение Нептуна почти неразрешимо). На снимках, полученных с использованием новых методов, отчетливо виден темный экваториальный пояс планеты и две широкие полосы облаков в интервалах широт 30—70° в северном и южном полушариях.

Знакомясь с Ураном, мы узнали, что солнечное тепло — это практически единственный источник его энергии (собственное тепло дает вклад в суммарный тепловой поток не более 13%). Этой энергии слишком мало, чтобы возникли такие мощные явления, как циклоны. В отличие от Урана, атмосфера Нептуна обнаруживает значительную метеорологическую активность, причем характер циркуляции доказывает, что энергия приходит «снизу», из недр планеты, как на Юпитере и Сатурне. На Нептуне ветры несравнимо сильнее, чем на Уране. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Уран уже отдал все запасенное тепло, а Нептун — еще нет. Таким образом, эти планеты-близнецы не слишком похожи.

Большое Темное Пятно

В задачу «Вояджера» входило изучение Нептуна и окружающих его объектов — колец, спутников, пылевых частиц, магнитосферы. В максимальном сближении «Вояджер» отделяло от центра планеты 29240 км., а до поверхности облачного слоя оставалось всего 4900 км. Аппарат приближался к Нептуну со стороны освещенного Солнцем южного полушария планеты.

Одним из первых открытий «Вояджера» было странное образование на диске Нептуна, которое по аналогии с Большим красным пятном на Юпитере назвали «Большим темным пятном» (БТП). Его размер хотя и меньше, чем у юпитерианского пятна, но близок к размеру земного шара. Его форма не вполне постоянна. Угловая протяженность БТП практически та же, что и на Юпитере: долготная 38°, широтная 15°. Более того, БТП и находится на том же месте: 20°ю.ш., на широкой и самой светлой полосе («зоне», по аналогии с Юпитером), охватывающей широты от 5°с.ш. до 40°ю.ш., несимметрично относительно экватора.

По своей природе БТП — гигантский антициклон, вытянутый в долготном направлении. Расположенный в южном полушарии, он вращался против часовой стрелки и завершал один оборот за 16 земных суток (значительно дольше, чем на Юпитере). Антициклоническое движение БТП примерно соответствовало разности скоростей зональных течений с его северной и южной сторон, которые, обтекая, как бы вращали его. К тому же, Большое Темное Пятно уплывало к западу со скоростью 325 м/с.