Neptunus

Löytäminen

Piirrostensa perusteella ensimmäisen tunnetun havainnon Neptunuksesta teki Galileo Galilei 28. joulukuuta 1612 ja uudelleen 27. tammikuuta 1613. Molemmissa tapauksissa Galilei luuli Neptunusta virheellisesti tähdeksi, koska se vaikutti olevan erittäin lähellä Jupiteria konjunktion takia. Tämän takia hänelle ei ole annettu kunniaa Neptunuksen löytämisestä.
Vuonna 1821 Uranuksen kiertoradassa havaittiin häiriöitä ja alettiin epäillä, että ne johtuisivat toisesta planeetasta Uranuksen takana. Vuonna 1843 John Couch Adams laski tämän tuntemattoman planeetan kiertoradan. 1846 Urbain Le Verrier teki samanlaisia laskelmia tietämättä Adamsista. Samana vuonna Johann Gottfried Galle löysikin Neptunuksen vain asteen päässä paikasta, missä Le Verrier oli aiemmin laskenut sen olevan.
Löydön jälkeen oli useita kansallismielisiä kiistoja siitä, että oliko Neptunuksen löytäjä ranskalainen vai britti. Myöhemmin saavutettiin konsensus siitä, että molemmat saivat kunnian löydöstä. Vuodesta 1966 amerikkalainen tähtitieteilijä Dennis Rawlins on kyseenalaistanut Adamsin osuutta löydöstä perustellen sen historiallisiin dokumentteihin Greenwichin tähtitornissa. Hänen mukaansa ”Adams ei ansaitse yhtä suurta tunnustusta planeetan löytämisestä kuin Le Verrier, sillä kunnian pitäisi kuulua henkilölle, joka sekä arvioi planeetan paikan että sai tähtitieteilijät etsimään sitä”.
Neptunus oli aurinkokunnan uloin tunnettu planeetta löytämisestään vuoteen 1930, jolloin Pluto löydettiin. Pluto kuitenkin menetti statuksensa planeettana vuonna 2006, ja Neptunuksesta tuli jälleen Aurinkokunnan uloin planeetta.

Tutkimus

Neptunusta kohti on lähetetty avaruusluotain Voyager 2, joka ohitti planeetan 26. elokuuta 1989. Koska signaaleilta kestää 246 minuuttia saapua Maasta Neptunukseen, luotain käytti pääasiassa aiemmin sille annettuja komentoja Neptunuksen kohtaamisesta. Luotain lähestyi Neptunuksen kuu Nereidiä ennen kuin se kävi 4 400 kilometrin päässä Neptunuksen ilmakehästä 25. elokuuta. Tämän jälkeen luotain ohitti Neptunuksen suurimman kuun, Tritonin. Luotain sai selville planeetalla olevan vaihtelevan ilmaston, löysi kuusi kuuta ja useampia renkaita.
Neptunus ei aina ole ollut kahdeksas planeetta Auringosta. Tutkimusten mukaan vastasyntynyt Neptunus oli lähempänä Aurinkoa kuin Uranus. 650 miljoonaa vuotta muodostumisensa jälkeen planeetat kuitenkin vaihtoivat paikkaa. Tutkimuksessa tutkittiin planeettojen protoplanetaarisen kaasu- ja pölykiekon tiheyttä sekä planeettojen liikkeitä ja kokoa. Tutkijat päättelivät, että Neptunus on vaihdellut paikkaa Uranuksen puolelta toiselle.

Fyysiset ominaisuudet

Koska Neptunus on kaukana Auringosta, on sen pintalämpötila vain −220 °C. Neptunus on aurinkokuntamme kylmin planeetta. Neptunuksen kaasukehässä on havaittu aurinkokuntamme korkein tuulennopeus, noin 2 000 km/h. Neptunus muistuttaa monin tavoin Uranusta, mutta on sitä tiheämpi eikä siellä pintalämpötilan takia ole pilvipeitteiden näkyvyyttä estävää utua.
Heikkoja tummia renkaita on havaittu Neptunuksen ympärillä – ne eivät kuitenkaan ole Saturnuksen renkaiden suuruusluokkaa. Renkaiden löytymisen aikoihin otaksuttiin, etteivät renkaat olisi täydellisiä, mutta Voyager 2 -luotaimen välittämä tieto kumosi nämä oletukset.
Planeetalle sen sinisen värin antaa planeetan kaasukehän metaanipitoisuus. Jupiterin tapaisia vyöhykkeisiä tuulia ei näy Neptunuksessa, vaan kaikki tuulet puhaltavat pääosin samaan suuntaan.
Neptunuksen kiertoaika Auringon ympäri on yli 164 vuotta. Heinäkuun 12. päivänä 2011 se tuli tehneeksi ensimmäisen täyden kierroksen sen jälkeen, kun se löydettiin.

Rakenne

Neptunuksen sisäinen rakenne muistuttaa Uranusta. Sen ilmakehä käsittää noin 5–10 prosenttia sen massasta ja jatkuu mahdollisesti 10–20 prosenttia matkasta Neptunuksen ytimeen. Tällä alueella paine on noin 10 GPa. Ilmakehän alimmissa osissa on luultavasti suuria määriä metaania, ammoniakkia ja vettä.
Planeetan vaipan lämpötilaksi on arvioitu 2 000–5 000 kelviniä. Sen massa on noin 10–15 Maan massaa ja, kuten kaasukehän alaosatkin, sisältää huomattavia määriä metaania, ammoniakkia ja vettä. Kyseessä lienee kuuma, tiheä neste. Tätä nestettä kutsutaan joissakin tapauksissa vesi-ammoniakkimereksi.
7 000 kilometrin syvyydessä olosuhteet voivat olla sopivat metaanin hajoamiselle timantinkaltaisiksi kristalleiksi, jotka sitten vajoavat kohti planeetan ydintä. Planeetan vaipassa voi olla myös kerros ionisoitunutta vettä.
Neptunuksen ydin koostunee raudasta, nikkelistä ja silikaateista. Ytimen massaksi on arvioitu 1,2 Maan massaa.
Paine planeetan keskiosassa lienee 700 GPa, miljoonia kertoja suurempi kuin paine Maan pinnalla. Lämpötila saattaa olla jopa 5 400 kelviniä.

Kaasukehä

Neptunuksen kaasukehän ylimpien osien koostumuksen on arvioitu olevan 80 prosenttia vetyä ja 19 prosenttia heliumia sekä pieniä määriä metaania. Tämän metaanin aallonpituus on noin 600 nanometriä, mikä saa Neptunuksen näyttämään siniseltä, sillä metaani imee itseensä punaista valoa ja sirottaa sinistä.
Samasta syystä johtuu myös Uranuksen vaaleamman sininen väri. Tätä värieroavaisuutta on pyritty selittämään Neptunuksen kaasukehän mahdollisilla tuntemattomilla ainesosilla.
Neptunuksen kaasukehän voi jakaa kahteen pääalueeseen: alempaan troposfääriin (jossa lämpötila laskee korkeuden mukaan) ja ylempään stratosfääriin (jossa lämpötila nousee korkeuden mukaan). Näiden kahden alueen rajalla, tropopaussissa, paineen on arvioitu olevan 10 kPa.
Stratosfäärin yläpuolella on pienempi termosfääri, joka muuttuu korkeuden mukaan hiljalleen eksosfääriksi.
Neptunuksen kaasukehässä on planeetan sisäisen lämmön takia nopeita virtauksia. Joissakin kohdissa on nähtävissä valkeita cirruspilviä, jotka liikkuvat planeetan pyörimissuuntaa vasten. Ekvaattorin alueella tämä liike on nopeinta. Metaanipilvet ovat 1 000 kPa:n paineessa noin 60 kilometriä ensimmäisten valkeiden cirruspilvien alla. Neptunuksen näkyvä pinta, läpinäkymättömät pilvet ovat huipultaan 3 000 kPa:n paineessa, jossa lämpötila on 120 kelviniä. Se on 80–150 kilometriä hajanaisten pilvien huipun alla. Näissä pilvissä on muun muassa vetysulfidia.
Neptunuksen ekvaattori- ja napa-alueet ovat muita osia lämpimämpiä. Neptunuksen kaasukehän lämpökäyrä on hieman Saturnuksen vastaavaa jyrkempi, muttei läheskään niin jyrkkä kuin Jupiterilla. Silti se on Uranuksen vastaavaa loivempi.

Magneettikenttä

Neptunuksen magneettikenttä on kallellaan pyörimisakseliin nähden 47 astetta. Magneettikentän etäisyys planeetan ytimestä on noin 0,55 planeetan sädettä eli noin 13 500 kilometriä. Magneettikentän voimakkuus pilvien yllä on 0,06–1,2 mikroteslaa. Kentän dipolimomentti on 25 kertaa maan vastaava ja voimakkuus 0,14 gaussia. Kentän suunta on vastakkainen kuin maalla. Magnetopaussi eli magneettikentän raja on 25 planeetan säteen päässä Auringon suunnasta.
Vaikkei olekaan täysin varmaa, yleisesti ajatellaan Uranuksen ja Neptunuksen tyyppisten planeettojen magneettikenttien syntyvän paineen takia ionisoituneen veden, ammoniakin ja metaanin virtauksissa syvällä planeetan ydintä ympäröivässä tiheässä, kuumassa vaipassa. Metaani, vesi ja ammoniakki hajoavat hydroksidi-ioneiksi, hydroksyyli-ioneiksi, ammoniumioneiksi, hiileksi ja protoneiksi suurissa paineissa, ja käyttäytyvät nestemäisen suolan tavoin saaden metallisia ominaisuuksia.

Kiertorata

Neptunuksen keskimääräinen etäisyys Auringosta on 30,01 AU. Sen kiertoaika Auringon ympäri on noin 164,4 vuotta. 11. heinäkuuta 2011 Neptunus suoritti ensimmäisen kierroksensa Auringon ympäri sen löytämisestä vuonna 1846, vaikkei se näkynytkään silloin täysin samassa paikassa kuin sen löytöaikana johtuen Maan kiertämisestä Auringon ympäri. Täysin samaan paikkaan se palasi 12. heinäkuuta.
Neptunuksen radan inklinaatio on 1,77 astetta. Koska planeetan radan eksentrisyys on 0,0086, Neptunuksen ja Auringon välinen etäisyys vaihtelee 101 miljoonaa kilometriä sen kiertoradan kaukaisimman ja Aurinkoa lähimmän pisteen välillä.
Neptunuksen akselin kaltevuus on 29,6 astetta, mikä on samankaltainen kuin Maan (23°) ja Marsin (25°) vastaavat. Tästä johtuu, että Neptunuksella on samankaltaiset vuodenaikojen vaihtelut kuin Maassa. Pitkän kiertoajan takia Neptunuksen vuodenajat kestävät yli 40 Maan vuotta.
Neptunuksen vuorokausi kestää noin 16,11 tuntia.

Vaikutus muihin kohteisiin

Neptunuksen kiertoradalla on huomattava vaikutus sen takana olevaan alueeseen, Kuiperin vyöhykkeeseen. Kuiperin vyöhyke on suuri kylmien planetoidien alue (samankaltainen kuin asteroidivyöhyke, mutta suurempi). Alue jatkuu Neptunuksen kiertoradalta noin 55 AU:n päähän Auringosta.
Samalla tavalla kuin Jupiterin vetovoima vaikuttaa asteroidivyöhykkeeseen, Neptunuksen vetovoima vaikuttaa Kuiperin vyöhykkeeseen. Aurinkokunnan historiassa Neptunuksen vetovoima on sekoittanut tiettyjä Kuiperin vyöhykkeen alueita luoden siihen aukkoja, esimerkiksi 40-42 AU:n etäisyydellä Auringosta olevan alueen.

Ilmasto

Yksi tärkeä ero Neptunuksen ja Uranuksen välillä on ilmaston aktiivisuus. Kun Voyger 2 ohitti Uranuksen vuonna 1986, ilmaston aktiivisuus oli erittäin vähäistä. Neptunuksen kaasukehästä puolestaan löytyi suuria, aktiivisia myrskyjä.
Neptunuksen ilmastoa hallitsevat erittäin nopeat myrskyt, joissa tuulen nopeus on usein lähes 600 m/s, mikä vastaa suunnilleen äänen nopeutta. Useimmat Neptunuksen tuulista liikkuvat planeetan pyörimissuuntaa päinvastaisesti. Yksittäisiä pilviä tutkiessa on havaittu, että niiden liikkumisnopeudet vaihtelevat nopeudesta 20 m/s (itäiseen suuntaan) nopeuteen 325 m/s (läntiseen suuntaan). Metaani-, etaani- ja etyynipitoisuudet ovat 10–100 kertaa suurempia Neptunuksen ekvaattorin alueella kuin planeetan navoilla.
Vuonna 2007 havaittiin, että Neptunuksen troposfäärin yläosat planeetan etelänavan alueella ovat noin 13 kelviniä lämpimämpiä kuin planeetan muut osat, joiden lämpötila on noin 70 kelviniä (−200 °C). Tämä tarkoittaa, että planeetan eteläosat ovat muita osia lämpimämpiä.
Tämä lämpötila riittää metaanin, joka on planeetan muissa osissa jäätynyttä, höyrystymiseen ja pakenemiseen. Tämän vuoksi Neptunuksen etelänavalta vapautuu metaania avaruuteen.

Myrskyt

Vuonna 1989 Neptunuksesta havaittiin suuri tumma pilkku, antisykloninen myrsky, jonka halkaisija oli 13 000 kilometriä. Havainnon teki Voyager 2 -luotain. Myrsky muistutti tunnetumpaa Jupiterin suurta punaista pilkkua. Viisi vuotta myöhemmin myrskyä ei yrityksistä huolimatta löydetty uudelleen Hubble-avaruusteleskoopilla. Tämän sijaan uusi samankaltainen myrsky löytyi planeetan pohjoiselta pallonpuoliskolta.
Voyager 2 löysi myös eteläisellä pallonpuoliskolla olevan erittäin nopean pienen tumman pilkun. Se oli toiseksi suurin luotaimen löytämä myrsky. Tämä myrsky on suurta tummaa pilkkua etelämpänä.
Neptunuksen myrskyt ovat aurinkokunnan korkeimmalla ilmakehässä tapahtuvia myrskyjä. Neptunuksella on mitattu aurinkokunnan kovimmat tuulet, jotka voivat yltää jopa 2 400 kilometriin tunnissa.