Neptün'ün halkaları

Neptün, beş ana halkadan oluşan bir sisteme sahiptir. Başta "yaylar" olarak adlandırılan halkalar, 22 Temmuz 1984'te Patrice Bouchet, Reinhold Häfner ve Jean Manfroid'dan oluşan ekip tarafından Şili'deki La Silla Gözlemevi'nde ve William Hubbard liderliğindeki bir program kapsamında F. Vilas ve L. R. Elicer tarafından Cerro Tololo Amerikan Gözlemevi'nde keşfedildi. Halkalar, 1989'da Voyager 2 uzay aracı tarafından fotoğraflandı. Halkaların en yoğun kısımları, Satürn'ün ana halkalarının yoğunluğu nispeten az kısımlarıyla (C halkası ve Cassini bölümü gibi) karşılaştırılabilir; ancak Neptün'ün halka sisteminin çoğu görece zayıf, soluk ve tozlu olup Jüpiter'in halkalarına daha çok benzemektedir. Neptün'ün halkalarına, gezegenle ilgili önemli çalışmalara katkıda bulunan gök bilimcilerin adları verilmiştir: Galle, Le Verrier, Lassell, Arago ve Adams. Neptün, uydularından Galatea'nın yörüngesine denk gelen ve isim verilmemiş soluk bir halkaya daha sahiptir. Diğer üç uydusu olan Naiad, Thalassa ve Despina halkalar arasındaki yörüngelerde dönmektedirler.

Neptün'ün halkaları, son derece koyu renkli, muhtemelen organik bileşikler içerip radyasyon etkisinde kalan malzemelerden oluşmaktadır. Benzer malzemeler Uranüs'ün halkalarında da görülür. Halkalardaki toz oranı (%20 ile %70 arasında) yüksek, optik derinlikleri ise düşük ile orta seviyede ve 0,1'den azdır. Adams halkası Fraternité, Égalité 1 ve 2, Liberté ve Courage adında beş ayrı yay içerir ve bu özelliğiyle benzersizdir. Yaylar dar bir enberi boylamı alanı kaplar, ilk tespit edildikleri 1980'den bu yana çok az değişmişlerdir ve kayda değer derecede kararlıdırlar. Yayların nasıl kararlı kaldığı hâlâ devam eden bir tartışma konusudur ve muhtemelen kararlılıkları Adams halkası ve iç çoban uydu Galatea arasındaki yörüngesel rezonans etkileşimi ile ilgilidir.

Neptün çevresindeki halkalar hakkındaki ilk bahis, Neptün'ün en büyük uydusu olan Triton'u keşfeden William Lassell'in, gezegenin etrafında bir halka görmüş olabileceğini belirttiği 1846 yılına uzanmaktadır. Lassell'in iddiası hiçbir zaman doğrulanmadı ve muhtemelen bir gözlem hatasıydı. Halkalardan birinin ilk güvenilir gözlemi 1968'deki bir yıldız örtülmesi esnasında yapıldı; ancak bu sonuç Uranüs'ün halkalarının keşfedildiği 1977 yılına kadar fark edilmeyecekti. Uranüs'ün halkalarının keşfinden bir süre sonra Villanova Üniversitesi'nden Harold J. Reitsema liderliğindeki bir ekip, Neptün'ün etrafında halkalar aramaya başladı. Ekip, 24 Mayıs 1981'deki bir örtülme sırasında bir yıldızın parlaklığında düşüş tespit etti; ancak yıldızın kararma şekli bir halkayı işaret etmiyordu. Voyager 1 uçuşundan sonra örtülmenin Neptün'ün uydularından Larissa'dan kaynaklandığı ve oldukça sıra dışı bir olay olduğu anlaşıldı.

1980'lerde Neptün için örtülmeler, o zamanlar Samanyolu'nun yakınında bulunan ve böylece daha yoğun bir yıldız arka planına karşı hareket eden Uranüs'e göre çok daha nadirdi. Neptün'ün 12 Eylül 1983'teki bir sonraki örtülmesi, olası bir halkanın algılanmasını sağlasa da yerden yapılan gözlemler yetersiz kaldı. Sonraki altı yıl içinde, hemen hemen üçte biri pozitif sonuç veren yaklaşık 50 ayrı örtülme daha gözlemlendi. Neptün'ün etrafında kesinlikle bir şey (muhtemelen eksik yaylar) vardı; ancak halka sisteminin özellikleri bir sır olarak kalmaya devam etti. Yıldızın parlaklığında örtülmeler sırasında gözlenen düşüşler sadece bazı çalışmalarda görüldüğü ve gezegenin her iki tarafında asla simetrik olmadığı için bilim adamları mevcut halkaların Neptün'ü tamamen çevrelemediği, bunun yerine kısmi halkalar veya yaylar şeklinde olduğu sonucuna vardılar.

Halkalar ("yaylar" olarak) 22 Temmuz 1984'teki bir örtülme sırasında keşfedildi. Eş zamanlı keşif; Patrice Bouchet, Reinhold Häfner ve Jean Manfroid ekibince Şili'deki La Silla Gözlemevi'nde (Paris Gözlemevi'nden André Brahic ve Bruno Sicardy'nin önerdiği bir gözlem programının parçası olarak) ve F. Vilas ve L. R. Elicer tarafından Cerro Tololo Amerikaarası Gözlemevi'nde (William Hubbard liderliğindeki bir program çerçevesinde) gerçekleşti. Halkalara, gezegenle ilgili önemli çalışmalara katkıda bulunan gök bilimcilerin adları verildi: Galle, Le Verrier, Lassell, Arago ve Adams.

25 Ağustos 1989'da Neptün'ün atmosferinin 4.950 kilometre yakınından geçen Voyager 2 uzay aracı, geçişi sırasında Neptün halkalarının kesin keşfini yaptı ve daha önce gözlenen örtülme olaylarının Adams halkasındaki yaylardan kaynaklandığını doğruladı. Voyager 2nin Neptün ziyaretinin ardından, yerden yapılan daha önceki örtülme gözlemleri yeniden analiz edildi ve yayların 1980'lerdeki özellikleri ortaya çıkartıldı. Elde edilen sonuçlar uzay aracının bulgularıyla uyumluydu.

Voyager 2 görevinden bu yana, teleskop çözünürlüğü ve ışık toplama gücündeki gelişmeler sayesinde en parlak halkalar (Adams ve Le Verrier) Hubble Uzay Teleskobu ve Dünya'daki teleskoplar ile görüntülenmiştir. Halkalar, Neptün'den gelen parlamanın önemli ölçüde azaldığı metan emilim dalga boylarında kozmik mikrodalga arka plan gürültüsü seviyelerinin biraz üzerinde görülebilir. Sönük halkalar hâlâ görünürlük eşiğinin çok altındadır.

Neptün, gezegene olan uzaklıklarına göre sırasıyla Galle, Le Verrier, Lassell, Arago ve Adams olmak üzere beş halkaya sahiptir. Bu kesin tanımlanmış halkalara ek olarak Neptün, Le Verrier'den Galle halkasına ve muhtemelen gezegene doğru uzanan son derece zayıf bir malzeme tabakasına da sahip olabilir. Neptün'ün halkalarından Lassell, Arago ve Adams halkaları dar (genişliği yaklaşık 100 km veya daha az), Galle ve Lassell halkaları ise geniştir (genişlikleri 2.000 ile 5.000 km arasında). Adams halkası, soluk ve sürekli bir halkanın içinde yer alan beş parlak yaydan oluşur. Saat yönünün tersine ilerleyen yaylar şunlardır: Fraternité, Égalité 1 ve 2, Liberté ve Courage. İlk üç isim "özgürlük, eşitlik, kardeşlik", Fransız Devrimi ve Cumhuriyet'in ünlü sloganından gelmektedir. Bu terminoloji, halkaları 1984 ve 1985'teki yıldız örtülmeleri sırasında keşfeden ekip tarafından önerilmiştir. Yaylar dar bir enberi boylamı alanı kaplar, ilk tespit edildikleri 1980'den bu yana çok az değişmişlerdir ve kayda değer derecede kararlıdırlar. Neptün'ün dört küçük uydusunun yörüngeleri halka sistemi içinde yer almaktadır: Galle ve Le Verrier halkaları arasındaki boşlukta Naiad ve Thalassa, Le Verrier halkasının hemen içinde Despina, Adams halkasından biraz içerisinde, isimsiz, hafif ve dar bir halka içine gömülü bölgede Galatea.

Neptün'ün halkaları büyük miktarda mikrometre boyutunda toz içerir, enine kesit alanına göre toz oranı %20 ile %70 arasındadır. Bu bağlamda, toz oranının %50-%100 olduğu Jüpiter'in halkalarına benzer ve %0,1'den az toz içeren Satürn ve Uranüs'ün halkalarından farklıdırlar. Neptün'ün halkalarındaki parçacıklar koyu renkli bir malzemeden oluşmuştur ve muhtemelen radyasyonla işlenmiş organik bileşikler içeren bir buz karışımından müteşekkildir. Halkalar kırmızımsı renktedir ve geometrik (0,05) ve Bond (0,01-0,02) albedoları, Uranüs'ün halkalarındaki parçacıklara ve iç Neptün uydularına benzer. Halkalar genellikle optik olarak incedir (şeffaf); normal optik derinlikleri 0,1'i geçmez. Bir bütün olarak Neptün'ün halkaları Jüpiter'in halkalarına benzemektedir ve her iki sistem de soluk, dar, tozlu halkacıklar ve daha da soluk geniş tozlu halkalardan oluşur.

Neptün'ün halkalarının, Uranüs'ün halkalarına benzer şekilde nispeten genç olduğu düşünülmektedir, yaşları muhtemelen Güneş Sistemi'nin yaşından çok daha azdır. Ayrıca Uranüs'te olduğu gibi, Neptün'ün halkalarının da bir zamanlar muhtemelen var olan iç uyduların çarpışarak parçalanmasıyla oluştuğu düşünülmektedir. Bu tür olaylar halkalar için toz kaynağı görevi gören küçük uyducuk kemerleri oluşturmaktadır. Bu açıdan Neptün'ün halkaları, Voyager 2 tarafından Uranüs'ün ana halkaları arasında gözlemlenen hafif tozlu bantlara benzer.

Neptün'ün gezegene en yakın halkası, 1846'da Neptün'ü bir teleskopla gözlemleyen ilk kişi olan Johann Gottfried Galle anısına Galle halkası olarak adlandırılmıştır. Yaklaşık 2.000 km genişliğinde ve gezegenden 41.000-43.000 km uzaklıkta bir yörüngededir. Ortalama normal optik derinliği 10−4 ve eşdeğer derinliği 0,15 olan zayıf bir halkadır. Bu halkadaki toz oranının %40 ile %70 arasında olduğu tahmin edilmektedir.

Bir sonraki halka, 1846'da Neptün'ün konumunu tahmin eden Urbain Le Verrier anısına Le Verrier halkası olarak adlandırılmıştır. Yaklaşık 53.200 kilometrelik yörünge yarıçapı olan dar bir halkadır, genişliği yaklaşık 113 km'dir. Normal optik derinliği 0,0062 ± 0,0015'tir, bu değer 0,7 ±0,2 km eşdeğeri bir derinliğe karşılık gelir. Le Verrier halkasındaki toz oranı %40 ile %70 arasında değişir. Le Verrier halkasının tam içinde 52.526 km yarıçapında yörüngede dönen küçük uydu Despina, çoban uydu gibi davranarak bu halkanın sınırlanmasında rol oynuyor olabilir.

Plato olarak da bilinen Lassell halkası, Neptün halka sistemindeki en geniş halkadır. Adını Neptün'ün en büyük ayı Triton'u keşfeden İngiliz astronom William Lassell'den almaktadır. Bu halka, yaklaşık 53.200 km yarıçapında yörüngedeki Le Verrier halkası ile ve 57.200 km yarıçapında yörüngedeki Arago halkası arasındaki boşlukta yer alan soluk bir malzeme tabakasıdır. Ortalama normal optik derinliği 10−4 civarındadır, bu da 0,4 km'lik bir eşdeğer derinliğe karşılık gelir. Halkanın toz oranı %20 ile %40 arasındadır.

Lassell halkasının dış kenarı yakınında, Neptün'e 57.200 km uzaklıkta bulunan ve 100 km'den daha az genişlikte küçük bir parlaklık zirvesi yer almaktadır ve bazı gezegen bilimciler tarafından Fransız matematikçi, fizikçi, gök bilimci François Arago'ya ithafen Arago halkası olarak adlandırılır. Ancak birçok yayın Arago halkasından hiç bahsetmemektedir.

Dıştaki Adams halkası, yaklaşık 63.930 km yörünge yarıçapı ile Neptün'ün halkaları arasında en iyi incelenendir. Adı, Neptün'ün Le Verrier'den ilgisiz olarak konumunu tahmin eden John Couch Adams'dan gelmektedir. Bu halka dar, hafif eksantrik ve eğimlidir, toplam genişliği yaklaşık 35 km'dir (15–50 km) ve normal optik derinliği yayların dışında 0,011 ±0,003 civarındadır, bu değer yaklaşık 0,4 km eşdeğer derinliğe karşılık gelir. Bu halkadaki toz oranı %20 ile %40 arasındadır ve diğer dar halkalardan daha düşüktür. Neptün'ün Adams halkasının hemen içinde dönen küçük uydu Galatea, 61.953 km'deki yörüngesinde bir çoban gibi davranır ve halka parçacıklarını 42:43 dış Lindblad rezonansıyla dar bir yörünge yarıçapı aralığında tutar. Galatea'nın kütleçekimi etkisi Adams halkasında yaklaşık 30 km genlikle 42 radyal dalgalanmaya neden olur, bu bilgi Galatea'nın kütlesini hesaplamak için de kullanılmıştır.

En parlak ve en uzun yay Fraternité iken en soluk olanı ise Courage'tır. Yayların normal optik derinliklerinin 0,03-0,09 aralığında olduğu (yıldız örtülmesi ile ölçülen Liberté yayının ön kenarı için 0,034 ±0,005) tahmin edilmektedir; radyal genişlikler yaklaşık olarak sürekli halkanın genişlikleri ile aynıdır - yaklaşık 30 km. Eşdeğer ark derinlikleri 1,25-2,15 aralığında değişir (Liberté yayının ön kenarı için 0,77 ±0,13 km). Yaylardaki toz oranı %40 ile %70 arasındadır. Adams halkasındaki yaylar, Satürn'ün G halkasındaki yayla biraz benzemektedir.

En yüksek çözünürlüklü Voyager 2 görüntüleri, yaylardaki belirgin bir topaklanmayı ortaya çıkarmıştır. Halka boyunca görünür topaklar arasında tipik ayrım 0,1° ile 0,2°'dir; bu ayrım 100–200 km'ye karşılık gelir. Topakların detayları çözümlenemediği için daha büyük gövdeler içerip içermedikleri bilinmemektedir ancak Güneş tarafından arkadan aydınlatıldıklarında artan parlaklıkları ile kanıtlandığı üzere kesinlikle mikroskobik toz konsantrasyonlarıyla ilişkilendirilir.

Yaylar oldukça kararlı yapılardır. 1980'lerde yer tabanlı yıldız örtülmeleri, 1989'da Voyager 2, 1997-2005'te Hubble Uzay Teleskobu ve yer tabanlı teleskoplar tarafından tespit edilmiştir ve yaklaşık olarak aynı enberi boylamlarında kaldıkları gözlemlenmiştir. Ancak yaylarda bazı değişiklikler de fark edilmiştir. Yayların genel parlaklığı 1986'dan beri azalmıştır. Courage yayı 8° ile 294° arasında ileri, muhtemelen bir sonraki kararlı birlikte dönme rezonans pozisyonuna atladı; Liberté yayı 2003 yılında neredeyse kayboldu. Fraternité ve Égalité (1 ve 2) yayları, nispi parlaklıklarında düzensiz değişiklikler göstermişlerdir. Gözlemlenen dinamikleri muhtemelen aralarındaki toz alışverişi ile ilgilidir. Voyager uçuşu sırasında bulunmuş çok soluk bir yay olan Courage'ın parlaklığının 1998'de arttığı, Haziran 2005'te ise normal parlaklığına geri döndüğü gözlemlenmiştir. Görünür ışık gözlemleri, yaylardaki toplam malzeme miktarının yaklaşık olarak sabit kaldığını ancak önceki gözlemlerin yapıldığı kızılötesi ışık dalga boylarında daha sönük olduğunu gösterir. VLT'nin 2007 gözlemlerinde Liberté ve Courage, Galatea'nın girişim yapması yüzünden net gözlemlenememiştir. 2009 VLT gözlemlerine ve sonraki Hubble ve Keck gözlemlerine göre Liberté ve Courage neredeyse kaybolmuş, Égalité ve Fraternité stabil kalmıştır. Liberté ve Courage'ın kaybolmasının, Fraternité'ye doğru geriye doğru gitmeleri ile bağlantılı olabileceği, geriye giden halkayı besleyen materyal akımı olmaması sebebiyle uzaktaki halkaların soluklaşarak gözden kaybolacağı düşünülmektedir. 2020'li yıllarda Égalité, tıpkı Liberté ve Courage gibi önce daha parlaklaşıp, sonra soluklaşabilir.

Yayların nasıl kararlı kaldığı hâlâ devam eden bir tartışma konusudur, muhtemelen kararlılıkları Adams halkası ve iç çoban uydu Galatea arasındaki yörüngesel rezonans etkileşimi ile ilgilidir. Adams halkasındaki yaylar henüz tam olarak açıklanamamıştır. Yayların yörünge yapısı henüz çözülememiş bir sorudur çünkü temel yörünge dinamikleri yıllar içinde tekdüze bir halkaya yayılmalarını gerektirmektedir. Yayların bulundukları konumda sınırlandırılmasıyla ilgili çeşitli teoriler önerilmiştir, bunların en yaygın olanı Galatea'nın yayları 42:43 eş-rotasyonel eğim rezonansı (co-rotational inclination resonance - CIR) ile sınırlandırdığıdır. Rezonans, halka yörüngesi boyunca, her biri 4° uzunluğunda 84 kararlı bölge oluşturur, yaylar bitişik bölgelerde yer almaktadır. Bununla birlikte, halkaların 1998'deki Hubble ve Keck teleskopları ile ortalama hareketlerinin ölçülmesi, halkaların Galatea ile CIR'de olmadıkları sonucuna yol açmıştır.

Daha sonraki bir model, sınırlanmanın birlikte dönme eksantriklik rezonansından (co-rotational eccentricity resonance - CER) kaynaklandığını ileri sürmüştür. Model, rezonansı halkaya yaklaştırmak için gerekli olan Adams halkasının sonlu kütlesini hesaba katar. Bu teorinin sağladığı bir diğer değer ise Adams halkası için Galatea uydusunun kütlesinin yaklaşık binde 2'si olarak hesaplanan bir kütle tahminidir. 1986'da önerilen üçüncü bir teori, halkanın içinde yörüngeye giren ek bir uydu olmasını gerektirir, bu durumda yaylar kararlı Lagrange noktalarında hapsolmuştur. Ancak Voyager 2'nin gözlemleri, keşfedilmemiş uyduların büyüklüğü ve kütlesi üzerine kesin tanımlamalar getirerek böyle bir teoriyi düşük olasılıklı hâle getirmiştir. Diğer bazı daha karmaşık teoriler bir dizi uyducuğun Galatea ile eş-rotasyonel rezonanslarda sıkıştığını, bu uyducukların yayların sınırlandırılmasını sağladığını ve aynı zamanda halkalar için toz kaynağı olduğunu iddia etmektedir.

Halkalar, Voyager 2 uzay aracının Ağustos 1989'daki Neptün uçuşu sırasında ayrıntılı olarak incelenmiştir. Üzerlerinde optik görüntüleme; morötesi ve görünür ışıkta yıldız örtülme gözlemleriyle çalışıldı. Uzay aracı, halkaların Güneş'e göre farklı geometrilerde olduğunu gözlemlemiş ve geri saçılım, ileri saçılım ve yandan saçılım ışık durumlarında görüntüler yakalamıştır. Bu görüntülerin analizi, faz fonksiyonu (halkanın yansıtıcılığının gözlemci ve Güneş arasındaki açıya bağımlılığı) ile halka parçacıklarının geometrik ve Bond albedolarının türetilmesini sağlamıştır. Voyager'in görüntülerinin analizi, Adams halkasının çoban uydusu Galatea da dahil olmak üzere Neptün'ün altı iç uydusunun keşfedilmesini sağlamıştır.

Neptün'ün halka sisteminin anlaşılması konusunda birçok çalışma yapılmış olmasına rağmen, halkaların ve yayların solukluğu dolayısıyla yeterli ve kaliteli veri olmaması sebebiyle halka sistemi ve sistemdeki uyduların halkalarla etkileşimi hakkında hâlen bilinmeyen birçok konu bulunmaktadır. Araştırmalarda Voyager uçuşları, Hubble, Keck ve VLT tarafından toplanan veri setleri kullanılmıştır. Neptün halkalarının dinamik değişimi konusunda henüz yeterli bilgi yoktur. Halkaların küçük uydularla bir arada olması, tamamlanmamış bir uydu oluşum süreciyle ilgili olabilir. Ayrıca halkalar geçici de olabilirler; halkalar istikrarlı durumdan çıkarak yeni bir halka oluşum sürecine de sebep olabilirler. Gelecekte yeni nesil yer tabanlı çok büyük teleskoplar ve James Webb Uzay Teleskopu tarafından toplanacak veriler ile sistemin daha iyi anlaşılacağı düşünülmektedir.