Neptun (Neptune)

Neptun, der achte und am weitesten von der Sonne entfernte bekannte Planet, ist gemessen am Durchmesser der viertgrößte Planet im Sonnensystem, der drittgrößte und der dichteste unter den Riesenplaneten. Seine Masse beträgt etwa das 17-fache der Erde. Obwohl Neptun etwas kleiner als sein benachbarter Eisriese Uranus ist, besitzt er eine größere Masse und Dichte. Es besteht überwiegend aus Gasen und Flüssigkeiten und weist keine ausgeprägte feste Oberfläche auf. Der Planet umkreist die Sonne alle 164,8 Jahre und behält dabei eine durchschnittliche Umlaufentfernung von 30,1 astronomischen Einheiten (4,5 Milliarden Kilometer; 2,8 Milliarden Meilen) bei. Das nach der römischen Gottheit des Meeres benannte astronomische Symbol ist Neptuns Dreizack.

Neptun ist der achte und am weitesten entfernte bekannte Planet, der die Sonne umkreist. Er ist gemessen am Durchmesser der viertgrößte Planet im Sonnensystem, der drittgrößte Planet und der dichteste Riesenplanet. Es ist das 17-fache der Masse der Erde. Im Vergleich zu Uranus, seinem benachbarten Eisriesen, ist Neptun etwas kleiner, aber massereicher und dichter. Da es hauptsächlich aus Gasen und Flüssigkeiten besteht, hat es keine klar definierte feste Oberfläche. Neptun umkreist die Sonne einmal alle 164,8 Jahre in einer Umlaufentfernung von 30,1 astronomischen Einheiten (4,5 Milliarden Kilometer; 2,8 Milliarden Meilen). Er ist nach dem römischen Gott des Meeres benannt und trägt das astronomische Symbol ,, das Neptuns Dreizack darstellt.

Neptun ist für das bloße Auge unsichtbar und zeichnet sich dadurch aus, dass er der einzige Planet im Sonnensystem ist, der ursprünglich nicht durch direkte empirische Beobachtung entdeckt wurde. Stattdessen wurde seine Existenz von Alexis Bouvard vermutet, der unerwartete Unregelmäßigkeiten in der Umlaufbahn von Uranus feststellte, was auf Gravitationsstörungen durch einen unbeobachteten Planeten schließen lässt. Nach Bouvards Tod berechneten John Couch Adams und Urbain Le Verrier unabhängig voneinander die vorhergesagte Position Neptuns auf der Grundlage dieser Beobachtungen. Anschließend beobachtete Johann Gottfried Galle Neptun am 23. September 1846 direkt mit einem Teleskop und fand ihn innerhalb eines Grads von Le Verriers vorhergesagtem Standort. Sein größter Mond, Triton, wurde bald darauf identifiziert, aber die anderen Monde des Planeten blieben teleskopisch bis zum 20. Jahrhundert unentdeckt.

Neptuns beträchtliche Entfernung von der Erde führt zu einer geringen scheinbaren Größe, und seine Entfernung von der Sonne macht ihn außergewöhnlich dunkel, was eine erhebliche Herausforderung für die Untersuchung mit erdbasierten Teleskopen darstellt. Detaillierte Beobachtungen wurden erst mit der Entwicklung des Hubble-Weltraumteleskops und großer bodengestützter Teleskope mit adaptiver Optik möglich. Voyager 2, die am 25. August 1989 einen Vorbeiflug an Neptun durchführte, ist nach wie vor die einzige Raumsonde, die den Planeten besucht hat. Ähnlich wie die Gasriesen Jupiter und Saturn besteht die Atmosphäre von Neptun überwiegend aus Wasserstoff und Helium mit geringen Mengen an Kohlenwasserstoffen und möglicherweise Stickstoff, enthält jedoch eine größere Konzentration an Eis, einschließlich Wasser, Ammoniak und Methan. Sein Inneres besteht wie das von Uranus hauptsächlich aus Eis und Gestein; Daher werden beide Planeten als „Eisriesen“ kategorisiert, um sie von Gasriesen zu unterscheiden. Der schwache blaue Farbton des Planeten wird der Rayleigh-Streuung in Kombination mit dem Vorhandensein von Methanspuren in seinen äußersten Atmosphärenschichten zugeschrieben.

Im Gegensatz zu Uranus, der eine stark saisonale Atmosphäre aufweist, die über längere Zeiträume unauffällig erscheinen kann, zeigt die Atmosphäre von Neptun aktive und anhaltend sichtbare Wetterphänomene. Während des Vorbeiflugs von Voyager 2 im Jahr 1989 wurde auf der Südhalbkugel von Neptun ein Großer Dunkler Fleck beobachtet, der dem Großen Roten Fleck des Jupiter ähnelt. Bis 2018 wurden ein neuer primärer dunkler Fleck und ein kleinerer dunkler Fleck identifiziert und untersucht. Diese atmosphärischen Muster werden von den stärksten anhaltenden Winden angetrieben, die auf einem Planeten im Sonnensystem aufgezeichnet wurden und Geschwindigkeiten von bis zu 2.100 km/h (580 m/s; 1.300 mph) erreichen. Aufgrund seiner enormen Entfernung von der Sonne stellt die äußere Atmosphäre von Neptun eine der kältesten Regionen des Sonnensystems dar, mit Temperaturen an der Wolkenoberseite von nahezu 55 K (–218 °C; –361 °F). Umgekehrt werden die Temperaturen im Kern des Planeten auf etwa 5.400 K (5.100 °C; 9.300 °F) geschätzt. Neptun besitzt ein schwaches und fragmentiertes Ringsystem, das durch „Bögen“ gekennzeichnet ist und erstmals 1984 entdeckt und anschließend von Voyager 2 bestätigt wurde.

Historischer Kontext

Identifikation

Galileos Zeichnungen vom 28. Dezember 1612 und 27. Januar 1613 (Neuer Stil) stellen einige der frühesten Teleskopbeobachtungen dar und enthalten eingezeichnete Punkte, die den bekannten Positionen Neptuns an diesen bestimmten Daten entsprechen. In beiden Fällen hat Galileo Neptun offenbar fälschlicherweise als Fixstern identifiziert, da er in enger Konjunktion mit Jupiter am Nachthimmel erschien. Folglich wird ihm für die Entdeckung Neptuns keine Anerkennung zuteil. Während seiner ersten Beobachtung im Dezember 1612 zeigte Neptun scheinbar nur minimale Bewegung am Himmel, da er gerade seine rückläufige Phase begonnen hatte. Dieses Phänomen der scheinbaren Rückwärtsbewegung tritt auf, wenn die Umlaufbahn der Erde die eines äußeren Planeten überholt. Da Neptun gerade erst seinen jährlichen retrograden Zyklus einleitete, war seine Bewegung zu subtil, als dass sie mit dem relativ kleinen Galileo-Teleskop erfasst werden könnte. Eine Studie aus dem Jahr 2009 ergab jedoch, dass Galileo sich zumindest bewusst war, dass der von ihm beobachtete „Stern“ seine Position relativ zum Hintergrund der Fixsterne verschoben hatte.

Im Jahr 1821 veröffentlichte Alexis Bouvard astronomische Tabellen mit detaillierten Angaben zur Umlaufbahn des Uranus. Spätere Beobachtungen zeigten jedoch erhebliche Abweichungen von diesen Vorhersagen, was Bouvard zu der Theorie veranlasste, dass ein unbekannter Himmelskörper die Flugbahn von Uranus durch Gravitation störte. Ab 1843 begann John Couch Adams mit der Erforschung der Umlaufbahn des Uranus und nutzte dabei verfügbare Daten. Er forderte offiziell zusätzliche Daten von Sir George Airy, dem königlichen Astronomen, an, die ihm im Februar 1844 zur Verfügung gestellt wurden. Adams setzte seine Berechnungen von 1845 bis 1846 fort und erstellte mehrere Schätzungen für die Position eines zuvor unentdeckten Planeten jenseits von Uranus.

Gleichzeitig, aber unabhängig von Adams, führte Urbain Le Verrier zwischen 1845 und 1846 seine eigenen Berechnungen durch, die ebenfalls auf die Anwesenheit eines Planeten hindeuteten unentdeckter Planet; Allerdings stießen seine Erkenntnisse zunächst auf wenig Interesse bei seinen Landsleuten. Im Juni 1846 überredete Airy James Challis, mit der Suche zu beginnen, nachdem er Le Verriers erste veröffentlichte Schätzung für den Längengrad des hypothetischen Planeten überprüft und festgestellt hatte, dass diese mit Adams Vorhersage übereinstimmte. Challis führte im August und September eine erfolglose Himmelsdurchmusterung durch. Bemerkenswerterweise hatte Challis Neptun tatsächlich zweimal beobachtet – am 4. und 12. August 1845 – ein ganzes Jahr vor seiner offiziellen Entdeckung durch Johann Gottfried Galle. Dennoch hinderte ihn seine Abhängigkeit von veralteten Sternkarten und suboptimalen Beobachtungsmethoden daran, diese Sichtungen bis zu einer späteren Analyse als den neuen Planeten zu identifizieren. Challis drückte sein tiefes Bedauern aus und führte sein Versehen auf die Mängel seiner Karten und seine Beschäftigung mit gleichzeitigen Kometenbeobachtungen zurück.

Gleichzeitig schickte Le Verrier einen Brief an Johann Gottfried Galle, einen Astronomen an der Berliner Sternwarte, in dem er ihn anflehte, eine Suche mit dem Refraktorteleskop der Sternwarte einzuleiten. Heinrich d'Arrest, ein Student am Observatorium, schlug Galle vor, den Planeten zu identifizieren, indem er eine kürzlich kartierte Karte des Himmels in der von Le Verrier vorhergesagten Region mit der aktuellen Himmelsansicht vergleiche und dabei nach der charakteristischen Verschiebung eines Planeten relativ zu Fixsternen suche. Am Abend des 23. September 1846, genau an dem Tag, an dem Galle Le Verriers Korrespondenz erhielt, gelang es ihm, Neptun zu entdecken. Der Planet befand sich knapp nordöstlich von Iota Aquarii, etwa 1° von Le Verriers vorhergesagter Position (beschrieben als „fünf Grad östlich von Delta Capricorn“), etwa 12° von Adams‘ früherer Vorhersage und nahe der modernen IAU-Konstellationsgrenze zwischen Wassermann und Steinbock.

Nach Neptuns Entdeckung kam es zwischen Frankreich und Großbritannien zu einem nationalistischen Streit über die rechtmäßige Zuerkennung von Krediten. Letztendlich wurde ein internationaler Konsens erzielt, der sowohl Le Verrier als auch Adams die gemeinsame Anerkennung zusprach. Seit 1966 bezweifelt Dennis Rawlins jedoch die Richtigkeit von Adams‘ Anspruch auf Mitentdeckung. Dieses Thema wurde 1998 von Historikern neu bewertet, zeitgleich mit der Rückgabe der „Neptune Papers“ – einer Sammlung historischer Dokumente – an das Royal Observatory in Greenwich.

Benennungskonventionen

Unmittelbar nach seiner Entdeckung wurde Neptun allgemein als „der Planet außerhalb von Uranus“ oder „Le Verriers Planet“ bezeichnet. Der ursprüngliche formelle Namensvorschlag stammte von Galle, der Janus vorschlug. In England plädierte Challis für den Namen Oceanus.

Le Verrier machte sein Vorrecht geltend, seiner Entdeckung einen Namen zu geben, und schlug umgehend Neptun für den neuen Planeten vor, obwohl er fälschlicherweise behauptete, dies sei vom französischen Bureau des Longitudes offiziell bestätigt worden. Im Oktober versuchte er, den Planeten zu seinen Ehren Le Verrier zu nennen, ein Vorschlag, der vom Observatoriumsdirektor François Arago nachdrücklich unterstützt wurde. Dieser Vorschlag stieß außerhalb Frankreichs auf erheblichen Widerstand. Infolgedessen führten französische Almanache schnell wieder Herschel für Uranus ein, würdigten dessen Entdecker Sir William Herschel, und übernahmen Leverrier für den neu entdeckten Planeten.

Am 29. Dezember 1846 bestätigte Struve offiziell den Namen Neptun bei der Sankt Petersburger Akademie der Wissenschaften und führte als Begründung die teleskopische Erscheinung und Farbe des Planeten an. Anschließend erlangte Neptun internationale Anerkennung als offizielle Bezeichnung des Planeten. In der römischen Mythologie wird Neptun analog zur griechischen Gottheit Poseidon als Gott des Meeres verehrt. Die Vorliebe für einen mythologischen Namen, der sich an der etablierten Nomenklatur anderer Planeten orientiert und jeweils nach einer Gottheit aus der griechischen oder römischen Mythologie benannt ist.

Der Planet wird in den meisten zeitgenössischen Sprachen überwiegend durch Variationen des Namens „Neptun“ bezeichnet. Auf Chinesisch, Vietnamesisch, Japanisch und Koreanisch bedeutet die Bezeichnung des Planeten „Meereskönigsstern“ (海王星). Im Mongolischen wird Neptun als Dalain van (Далайн ван) bezeichnet, ein Name, der die Herrschaft seiner namensgebenden Gottheit über das Meer anerkennt. Das moderne Griechisch bezeichnet den Planeten als Poseidon (Ποσειδώνας, Poseidonas), was seinen Status als griechisches Äquivalent von Neptun widerspiegelt. Auf Hebräisch wurde Rahab (רהב), abgeleitet von einem biblischen Seeungeheuer, auf das im Buch der Psalmen Bezug genommen wird, 2009 offiziell durch eine von der Akademie der Hebräischen Sprache überwachte Abstimmung ausgewählt die vorherrschende Verwendung des lateinischen Begriffs Neptun (נפטון). Der Māori-Name für den Planeten ist Tangaroa und ehrt die Māori-Gottheit des Meeres. Nahuatl bezeichnet den Planeten als Tlāloccītlalli, benannt nach Tlāloc, dem Gott des Regens. Auf Thailändisch wird Neptun mit dem verwestlichten Namen Dao Nepcun/Nepjun (ดาวเนปจูน) bezeichnet und ist auch als Dao Ket (ดาวเกตุ, lit.'Stern von Ketu') und bezieht sich auf Ketu (केतु), den absteigenden Mondknoten, der in der hinduistischen Astrologie von Bedeutung ist. Der malaiische Name Waruna, abgeleitet vom hinduistischen Meeresgott, wurde bereits in den 1970er Jahren dokumentiert, wurde jedoch seitdem weitgehend durch die lateinischen Formen Neptun (auf Malaysisch) oder Neptunus (auf Indonesisch).

Die Standardform des Adjektivs ist Neptunisch. Während die Nonce-Form Poseidean (), abgeleitet von Poseidon, gelegentlich verwendet wird, bleibt die konventionelle Adjektivform für Poseidon Poseidonian ().

Planetenstatus

Von seiner Entdeckung im Jahr 1846 bis zu Plutos Identifizierung im Jahr 1930 galt Neptun als der am weitesten entfernte bekannte Planet. Nach Plutos Entdeckung wurde er als Planet klassifiziert, was Neptun zum zweitfernsten bekannten Planeten machte. Eine Ausnahme trat in einem 20-jährigen Zeitraum von 1979 bis 1999 auf, als Pluto aufgrund seiner exzentrischen Umlaufbahn der Sonne näher kam als Neptun, wodurch Neptun in diesem Zeitraum zum neunten Planeten von der Sonne aus wurde. Nach und nach verfeinerte Schätzungen der Masse von Pluto, die von der zehnfachen Masse der Erde auf deutlich weniger als die des Mondes abnahm, lösten in Verbindung mit der Entdeckung des Kuipergürtels im Jahr 1992 eine umfangreiche astronomische Debatte über Plutos Einstufung als Planet oder Bestandteil des Kuipergürtels aus. Im Jahr 2006 definierte die Internationale Astronomische Union den Begriff „Planet“ zum ersten Mal offiziell, was zur Neuklassifizierung von Pluto als „Zwergplanet“ und zur erneuten Etablierung von Neptun als äußerstem bekannten Planeten des Sonnensystems führte.

Planetenentstehung

Die genaue Modellierung der Entstehung der Eisriesen Neptun und Uranus war eine große Herausforderung. Bestehende Modelle deuten darauf hin, dass die Materiedichte in den äußeren Regionen des Sonnensystems nicht ausreichte, um die Entstehung solch massiver Körper über den konventionellen Kernakkretionsmechanismus zu erklären; Folglich wurden mehrere alternative Hypothesen vorgeschlagen, um ihre Entstehung aufzuklären. Eine Hypothese geht davon aus, dass diese Eisriesen nicht durch Kernakkretion, sondern durch Instabilitäten innerhalb der ursprünglichen protoplanetaren Scheibe entstanden sind und anschließend aufgrund der intensiven Strahlung eines benachbarten massereichen OB-Sterns ihre Atmosphäre verloren haben.

Eine alternative Theorie besagt, dass ihre Entstehung näher an der Sonne erfolgte, wo die Materiedichte größer war, und dass sie nach der Auflösung der gasförmigen protoplanetaren Scheibe anschließend zu ihren gegenwärtigen Umlaufbahnen wanderten. Diese Postformationsmigrationshypothese wird bevorzugt, da sie die Verteilung kleiner Objekte, die in der transneptunischen Region beobachtet werden, effektiver berücksichtigt. Die am weitesten verbreitete Ausarbeitung dieser Hypothese ist das Nice-Modell, ein dynamisches Evolutionsszenario, das den möglichen Einfluss eines wandernden Neptun und der anderen Riesenplaneten auf die strukturellen Eigenschaften des Kuipergürtels untersucht.

Bulk-Eigenschaften

Neptun besitzt eine Masse von 1,024×10²⁶ kg und positioniert sich damit zwischen der Erde und den massereicheren Gasriesen; Genauer gesagt beträgt sie das 17,15-fache der Masse der Erde, aber nur etwa 1/19 der Masse des Jupiters. Seine Gravitationsbeschleunigung bei 1 bar beträgt 11,27 m/s§8^{9§, was dem 1,15-fachen der Erdoberflächenbeschleunigung entspricht und nur von Jupiter übertroffen wird. Mit einem Äquatorradius von 24.764 km ist Neptun fast viermal so groß wie die Erde. Neptun wird als Eisriese, einer Unterkategorie der Riesenplaneten, klassifiziert und teilt diese Unterscheidung mit Uranus, da sie im Vergleich zu Jupiter und Saturn kleiner sind und eine höhere Konzentration an flüchtigen Stoffen aufweisen. Im Zusammenhang mit der Entdeckung von Exoplaneten dient Neptun als Metonym, wobei neu identifizierte Himmelskörper mit vergleichbarer Masse häufig als „Neptune“ bezeichnet werden, was die Praxis widerspiegelt, verschiedene extrasolare Objekte als „Jupiter“ zu bezeichnen.}

Interne Struktur

Die innere Struktur von Neptun weist Ähnlichkeiten mit der von Uranus auf. Seine Atmosphäre macht etwa 5 bis 10 % seiner Gesamtmasse aus und kann sich über 10 bis 20 % des Planetenradius nach innen in Richtung des Kerns erstrecken. Der Atmosphärendruck kann etwa 10 GPa erreichen, was etwa 10⁵ Atmosphären entspricht. In den tieferen Atmosphärenschichten werden immer höhere Konzentrationen von Methan, Ammoniak und Wasser beobachtet.

Neptuns Mantel hat schätzungsweise 10 bis 15 Erdmassen und ist reich an Wasser, Ammoniak und Methan. In der Planetenwissenschaft wird diese Zusammensetzung üblicherweise als „eisig“ bezeichnet, obwohl es sich um eine heiße, dichte überkritische Flüssigkeit handelt. Diese hoch elektrisch leitfähige Flüssigkeit wird gelegentlich als Wasser-Ammoniak-Ozean bezeichnet. Der Mantel könnte aus einer Schicht ionischen Wassers bestehen, in der Wassermoleküle in ein Plasma aus Wasserstoff- und Sauerstoffionen dissoziieren, und in größeren Tiefen aus superionischem Wasser, das durch kristallisierten Sauerstoff mit frei beweglichen Wasserstoffionen im Sauerstoffgitter gekennzeichnet ist. In einer Tiefe von 7.000 km könnten die Bedingungen die Zersetzung von Methan in Diamantkristalle begünstigen, die dann ähnlich wie Hagelkörner nach unten fallen würden. Forscher gehen davon aus, dass dieses Phänomen des Diamantregens auch auf Jupiter, Saturn und Uranus auftritt. Darüber hinaus deuten Experimente mit sehr hohem Druck, die am Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt wurden, darauf hin, dass die oberste Region des Erdmantels ein Ozean aus flüssigem Kohlenstoff sein könnte, der suspendierte feste Diamanten enthält.

Neptuns Kern besteht vermutlich aus Eisen, Nickel und Silikaten, wobei interne Modelle eine Masse nahelegen, die etwa dem 1,2-fachen der Erde entspricht. Der zentrale Druck erreicht 7 Mbar (700 GPa), was ungefähr dem Doppelten des Drucks im Erdkern entspricht, und die Temperaturen könnten 5.400 K (5.100 °C; 9.300 °F) erreichen.

Interne Heizung

Die dynamischeren Wettermuster, die auf Neptun im Gegensatz zu Uranus beobachtet werden, sind teilweise auf seine erhöhte innere Erwärmung zurückzuführen. Die obersten Schichten der Neptun-Troposphäre weisen eine Mindesttemperatur von 51,8 K (−221,3 °C) auf. In der Tiefe, in der der Atmosphärendruck 1 bar (100 kPa) erreicht, beträgt die Temperatur 72,00 K (−201,15 °C). Innerhalb der tieferen Gasschichten steigt die Temperatur zunehmend an. Ähnlich wie bei Uranus bleibt der genaue Ursprung dieser inneren Hitze ungeklärt; Allerdings ist die Ungleichheit in der Energieabgabe bei Neptun ausgeprägter: Uranus strahlt nur das 1,1-fache der Energie aus, die er von der Sonne absorbiert, während Neptun etwa das 2,61-fache der Sonnenenergie abstrahlt, die er empfängt.

Obwohl Neptun über 50 % weiter von der Sonne entfernt ist als Uranus und daher nur etwa 40 % der Sonneneinstrahlung von Uranus erhält, reicht die innere Energie von Neptun dennoch aus, um den schnellsten Planeten anzutreiben Winde im Sonnensystem. Die Restwärme aus der Akkretion von Neptun könnte, abhängig von den thermischen Eigenschaften seines Inneren, möglicherweise für den beobachteten Wärmefluss verantwortlich sein. Allerdings stellt es eine größere Herausforderung dar, den vergleichsweise geringen Mangel an innerer Wärme des Uranus in Einklang zu bringen und gleichzeitig die wahrgenommenen Ähnlichkeiten zwischen den beiden Planeten beizubehalten.

Rotation

Neptuns axiale Neigung beträgt 28,32°, ein Wert, der mit dem der Erde (23°) und des Mars (25°) vergleichbar ist. Folglich unterliegt Neptun saisonalen Schwankungen, die denen auf der Erde ähneln. Angesichts der langen Umlaufzeit von Neptun dauert jede Jahreszeit etwa vierzig Erdenjahre. Die siderische Rotationsperiode des Planeten, die seinen Tag definiert, beträgt etwa 16,11 Stunden. Aufgrund seiner axialen Neigung, die der der Erde ähnelt, sind die täglichen Längenschwankungen während des langen Jahres von Neptun nicht außergewöhnlich ausgeprägt.

Da Neptun kein fester Himmelskörper ist, weist seine Atmosphäre eine unterschiedliche Rotation auf. Die ausgedehnte Äquatorregion rotiert mit einer Periode von etwa 18 Stunden, was langsamer ist als die 16,1-stündige Rotationsrate des Magnetfelds des Planeten. Im Gegensatz dazu weisen die Polarregionen eine schnellere Rotationsperiode von 12 Stunden auf. Diese unterschiedliche Rotation ist die bedeutendste, die unter allen Planeten im Sonnensystem beobachtet wurde, und führt zu erheblicher Windscherung in Breitenrichtung.

Magnetosphäre

Neptuns Magnetosphäre weist ein Magnetfeld auf, das deutlich um 47° relativ zu seiner Rotationsachse geneigt ist und um mindestens 0,55 Radien (ungefähr 13.500 km) vom physikalischen Zentrum des Planeten entfernt ist, eine Konfiguration, die der Magnetosphäre von Uranus ähnelt. Vor der Ankunft von Voyager 2 auf Neptun wurde die Theorie aufgestellt, dass die axiale Neigung von Uranus für seine ähnlich geneigte Magnetosphäre verantwortlich sei. Eine vergleichende Analyse der Magnetfelder beider Planeten legt nun jedoch nahe, dass diese extreme Ausrichtung charakteristisch für die interne Fluiddynamik in ihrem Inneren sein könnte. Dieses Magnetfeld wird wahrscheinlich durch konvektive Flüssigkeitsbewegungen innerhalb einer dünnen Kugelhülle aus elektrisch leitenden Flüssigkeiten, möglicherweise einer Mischung aus Ammoniak, Methan und Wasser, durch einen Prozess erzeugt, der als Dynamowirkung bekannt ist.

Die Dipolkomponente des Magnetfelds von Neptun an seinem magnetischen Äquator misst etwa 14 Mikrotesla (0,14 G). Das magnetische Dipolmoment des Planeten wird auf etwa 2,2 × 10¹⁷ T·m³ geschätzt (14 μT·R_N§1011§, wobei R_N den Radius von Neptun bezeichnet). Das Magnetfeld von Neptun weist eine komplexe Geometrie auf, die durch erhebliche Beiträge nicht-dipolarer Komponenten gekennzeichnet ist, einschließlich eines robusten Quadrupolmoments, dessen Stärke das Dipolmoment übertreffen kann. Im Gegensatz dazu besitzen Erde, Jupiter und Saturn relativ geringe Quadrupolmomente und ihre Magnetfelder sind weniger von ihren Polachsen geneigt. Das im Neptunfeld beobachtete ausgeprägte Quadrupolmoment könnte auf einen Versatz vom Planetenzentrum und spezifische geometrische Einschränkungen des Dynamogenerators des Feldes zurückzuführen sein.

Neptuns Bugschock, der Bereich, in dem die Magnetosphäre beginnt, den Sonnenwind abzubremsen, liegt in einer Entfernung, die dem 34,9-fachen des Planetenradius entspricht. Die Magnetopause, in der der magnetosphärische Druck den Druck des Sonnenwinds ausgleicht, erstreckt sich zwischen dem 23- und 26,5-fachen Neptunradius. Der Schweif der Magnetosphäre erstreckt sich nach außen über mindestens das 72-fache des Neptunradius und möglicherweise noch viel weiter.

Beobachtungen, die von Voyager 2 im extremen Ultraviolett- und Radiofrequenzbereich durchgeführt wurden, deuteten auf das Vorhandensein schwacher, schwacher, aber dennoch komplexer und charakteristischer Polarlichter auf Neptun hin. Allerdings waren diese ersten Beobachtungen zeitlich begrenzt und es fehlten Infrarotdaten. Spätere Versuche von Astronomen mit dem Hubble-Weltraumteleskop konnten diese Polarlichter nicht erfolgreich nachweisen, im Gegensatz zu den klarer definierten Polarlichterscheinungen auf Uranus. Im März 2025 wurden Neptuns Polarlichter zum ersten Mal erfolgreich abgebildet, und zwar durch die Integration von Bildern des sichtbaren Lichts des Hubble-Weltraumteleskops mit Nahinfrarotbildern (NIR) des James Webb-Weltraumteleskops unter Verwendung von im Juni 2023 erfassten Daten. Das James Webb-Weltraumteleskop führte auch eine Spektrographie der Neptunatmosphäre durch und identifizierte Triwasserstoffkationen (H⁺
§89§), die während Polarlichtereignissen erzeugt werden und als definitiver Indikator für Polarlichtaktivität sowohl auf Gas- als auch auf Eisriesen dienen. Die einzigartigen Eigenschaften des Magnetfelds von Neptun haben erheblichen Einfluss auf die Natur seiner Polarlichter. Im Gegensatz zu Erde, Jupiter oder Saturn sind die Magnetpole von Neptun nicht auf seine Rotationspole ausgerichtet, was dazu führt, dass die Polarlichtaktivität in seinen mittleren Breitengraden vorherrscht und nicht ausschließlich an seinen Polen.

Oberflächeneigenschaften

Farbe

Neptuns Atmosphäre weist im optischen Spektrum einen schwachen blauen Farbton auf, der nur geringfügig stärker gesättigt ist als das Blau, das in der Atmosphäre von Uranus beobachtet wird. Frühere künstlerische Darstellungen der beiden Planeten übertrieben häufig den Farbkontrast von Neptun, um die Sichtbarkeit seiner Wolken, Bänder und Winde zu verbessern, und stellten ihn im Vergleich zum cremefarbenen Erscheinungsbild von Uranus als tiefes Blau dar. Bei der ersten Aufnahme dieser Planeten wurden unterschiedliche Systeme verwendet, was direkte Vergleiche der resultierenden zusammengesetzten Bilder erschwerte. Dieses Problem wurde anschließend im Laufe der Zeit durch eine Farbnormalisierung behoben, wobei die umfassendsten Bemühungen Ende 2023 erfolgten.

Atmosphäre

In größeren Höhen besteht Neptuns Atmosphäre zu 80 % aus Wasserstoff und zu 19 % aus Helium, wobei auch Spuren von Methan vorhanden sind. Bei Wellenlängen über 600 nm werden deutliche Absorptionsbanden beobachtet, die auf Methan zurückzuführen sind und in den roten und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums fallen. Ähnlich wie bei Uranus trägt diese Absorption von rotem Licht durch atmosphärisches Methan zur schwachen blauen Färbung von Neptun bei, die auf Neptun aufgrund der Anwesenheit von konzentriertem Dunst in der Atmosphäre von Uranus stärker ausgeprägt ist.

Neptuns Atmosphäre ist in zwei Hauptschichten unterteilt: die untere Troposphäre, die durch einen Temperaturabfall mit zunehmender Höhe gekennzeichnet ist, und die Stratosphäre, in der die Temperatur mit zunehmender Höhe ansteigt. An der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten, der sogenannten Tropopause, herrscht ein Druck von 0,1 bar (10 kPa). Jenseits der Stratosphäre beginnt die Thermosphäre bei Drücken von weniger als 10⁻⁵ bis 10⁻⁴ bar (1 bis 10 Pa). Anschließend geht die Thermosphäre zunehmend in die Exosphäre über.

Atmosphärenmodelle deuten darauf hin, dass Neptuns Troposphäre ausgeprägte Wolkenbänder aufweist, deren Zusammensetzung je nach Höhe variiert. Wolken in höheren Lagen werden bei Drücken unter einem Bar beobachtet, wo die Bedingungen die Methankondensation begünstigen. Es wird angenommen, dass zwischen einem und fünf Bar (100 und 500 kPa) Wolken entstehen, die aus Ammoniak und Schwefelwasserstoff bestehen. Bei Drücken über fünf Bar bestehen die Wolkenformationen möglicherweise aus Ammoniak, Ammoniumsulfid, Schwefelwasserstoff und Wasser. Darüber hinaus wird erwartet, dass tiefere Schichten Wassereiswolken mit etwa 50 bar (5,0 MPa) enthalten, wo die Temperatur 273 K (0 °C; 32 °F) erreicht. Darunter könnten sich weitere Wolken aus Ammoniak und Schwefelwasserstoff befinden.

Beobachtungen haben ergeben, dass hochgelegene Wolken auf Neptun Schatten auf die dichtere Wolkenschicht darunter projizieren. Diese erhöhten Wolkenbänder umgeben den Planeten entlang bestimmter Breitengrade, weisen Breiten zwischen 50 und 150 km auf und liegen etwa 50–110 km über der Hauptwolkendecke. Diese Höhen entsprechen der Troposphäre, dem atmosphärischen Bereich, in dem meteorologische Phänomene auftreten, im Gegensatz zur ruhenden Stratosphäre und Thermosphäre. Im August 2023 kam es zu einem bemerkenswerten Verschwinden der Höhenwolken des Neptun, was zu einer erneuten Prüfung einer drei Jahrzehnte dauernden Studie führte, die Daten des Hubble-Weltraumteleskops und bodengestützter Observatorien nutzte. Diese Forschung kam zu dem Schluss, dass die Wolkendynamik von Neptun in großer Höhe eher mit den Sonnenzyklen als mit den jahreszeitlichen Schwankungen des Planeten korreliert.

Die spektroskopische Analyse von Neptun weist darauf hin, dass seine untere Stratosphäre ein verschwommenes Erscheinungsbild aufweist, das auf die Kondensation von Methan-Photolyseprodukten, insbesondere Ethan und Ethin, zurückzuführen ist, die aus der ultravioletten Strahlung resultieren. Diese stratosphärische Region enthält auch geringe Mengen Kohlenmonoxid und Blausäure. Bemerkenswert ist, dass die Stratosphäre von Neptun eine höhere Temperatur aufweist als die von Uranus, ein Phänomen, das mit seiner erhöhten Kohlenwasserstoffkonzentration zusammenhängt.

Die Thermosphäre von Neptun weist aus noch nicht vollständig geklärten Gründen eine ungewöhnlich hohe Temperatur von etwa 750 K (477 °C; 890 °F) auf. Angesichts der großen Entfernung des Planeten von der Sonne ist ultraviolette Strahlung keine ausreichende Quelle für diese Wärmeenergie. Zu den vorgeschlagenen Erwärmungsmechanismen gehören Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und Ionen im Magnetfeld von Neptun sowie die Zerstreuung von Gravitationswellen, die aus dem Inneren des Planeten stammen. Die Thermosphäre enthält auch Spuren von Kohlendioxid und Wasser, die möglicherweise durch exogene Quellen wie Meteoriten und interplanetaren Staub eingeführt werden.

Klima

Neptuns meteorologische Aktivität wird durch hochenergetische Sturmsysteme bestimmt, in denen Windgeschwindigkeiten bis zu 600 m/s (2.200 km/h; 1.300 mph) erreichen können, was Überschallgeschwindigkeiten übertrifft. Häufiger weisen Beobachtungen anhaltender Wolkenbewegungen auf Windgeschwindigkeiten zwischen 20 m/s östlich und 325 m/s westlich hin. In den obersten Wolkenschichten schwanken die vorherrschenden Winde zwischen 400 m/s in Äquatornähe und 250 m/s an den Polen. Ein erheblicher Teil der Neptunwinde zirkuliert entgegen der Rotation des Planeten. Das allgemeine Windmuster zeigt eine progressive Rotation in höheren Breiten, im Gegensatz zu einer retrograden Rotation in niedrigeren Breiten. Es wird vermutet, dass diese Richtungsdivergenz ein „Skin-Effekt“ ist und nicht auf tiefgreifendere atmosphärische Mechanismen hinweist. Ein Hochgeschwindigkeits-Jetstream beispielsweise bewegt sich auf dem 70° südlichen Breitengrad mit 300 m/s. Darüber hinaus haben saisonale Schwankungen zu einer beobachteten Zunahme der Größe und Albedo von Wolkenbändern auf der Südhalbkugel von Neptun geführt, ein Phänomen, das erstmals 1980 dokumentiert wurde. Neptuns verlängerte Umlaufperiode führt zu Jahreszeiten, die etwa 40 Erdenjahre andauern.

Neptun weist einen deutlichen Unterschied zu Uranus in seinem charakteristischen Grad an meteorologischer Aktivität auf. Während seines Vorbeiflugs im Jahr 1989 dokumentierte Voyager 2 bedeutende Wetterphänomene am Neptun, während auf Uranus während seines Vorbeiflugs im Jahr 1986 keine vergleichbare atmosphärische Aktivität beobachtet wurde.

Es wird beobachtet, dass die Konzentrationen von Methan, Ethan und Acetylen am Neptunäquator 10 bis 100 Mal höher sind als die an seinen Polen. Diese Ungleichheit wird als überzeugender Beweis für einen atmosphärischen Aufschwung in der Äquatorregion und ein Absinken in der Nähe der Pole interpretiert, da photochemische Prozesse allein diese Verteilung ohne das Vorhandensein einer meridionalen Zirkulation nicht erklären können.

Im Jahr 2007 ergaben Beobachtungen, dass die obere Troposphäre von Neptun am Südpol eine Temperatur aufwies, die etwa 10 K höher war als der atmosphärische Durchschnitt von 73 K (−200 °C). Diese Temperaturunterschiede erleichtern die Sublimation von Methan, das typischerweise in der Troposphäre gefroren bleibt und so in die Stratosphäre der Polarregion aufsteigen kann. Das Vorhandensein dieses lokalisierten „Hot Spots“ wird auf die axiale Neigung von Neptun zurückgeführt, die den Südpol für etwa ein Viertel von Neptuns Umlaufzeit oder etwa 40 Erdenjahre im kontinuierlichen Sonnenlicht gehalten hat. Während Neptun seine Umlaufbahn zur gegenüberliegenden Seite der Sonne durchläuft, wird es am Südpol dunkel, während der Nordpol erleuchtet wird, wodurch sich das Phänomen der Methanfreisetzung auf die nördliche Hemisphäre verlagert.

Stürme

Im Jahr 1989 wurde der Große Dunkle Fleck, ein antizyklonales Sturmsystem mit einer Größe von 13.000 km × 6.600 km (8.100 Meilen × 4.100 Meilen), von der NASA-Raumsonde Voyager 2 identifiziert. Dieser Sturm zeigte ähnliche Eigenschaften wie der Große Rote Fleck des Jupiter. Ungefähr fünf Jahre nach seiner Entdeckung, am 2. November 1994, entdeckte das Hubble-Weltraumteleskop den Großen Dunklen Fleck nicht auf der Oberfläche des Planeten. Stattdessen wurde ein vergleichbares Sturmsystem auf der Nordhalbkugel von Neptun beobachtet.

Ein weiterer bemerkenswerter Sturm mit der Bezeichnung Scooter besteht aus einer Ansammlung weißer Wolken südlich des Großen Dunklen Flecks. Diese Bezeichnung entstand in den Monaten vor der Voyager 2-Begegnung im Jahr 1989, als beobachtet wurde, dass sich diese Wolken mit Geschwindigkeiten bewegten, die über denen des Großen Dunklen Flecks lagen. Die anschließende Bildanalyse ergab später das Vorhandensein von Wolken, die sich mit noch größeren Geschwindigkeiten bewegten als ursprünglich von Voyager 2 erkannt. Der Small Dark Spot, ein Zyklonsturm auf der Südhalbkugel, war der zweitstärkste Sturm, der während der Begegnung im Jahr 1989 dokumentiert wurde. Dieses zunächst völlig dunkel erscheinende Merkmal entwickelte einen leuchtenden Kern, als Voyager 2 sich dem Planeten näherte, eine Eigenschaft, die in den meisten hochauflösenden Bildern deutlich wird. Kürzlich, im Jahr 2018, wurden ein neuer primärer dunkler Fleck und ein kleinerer dunkler Fleck identifiziert und einer wissenschaftlichen Untersuchung unterzogen. Die erste bodengestützte Beobachtung eines dunklen Flecks auf Neptun wurde im Jahr 2023 gemeldet.

Es wird angenommen, dass Neptuns dunkle Flecken ihren Ursprung in der Troposphäre in Höhen unterhalb der Höhen der leuchtenderen Wolkenformationen haben und sich daher als Öffnungen in den oberen Wolkenschichten präsentieren. Aufgrund ihrer Stabilität und Beständigkeit über mehrere Monate werden diese Strukturen als Wirbelstrukturen bezeichnet. Helle, anhaltende Methanwolken gehen häufig mit dunklen Flecken einher, die sich in der Nähe der Tropopausenschicht bilden. Das anhaltende Vorhandensein dieser damit verbundenen Wolken deutet darauf hin, dass bestimmte ehemalige dunkle Flecken als Zyklone bestehen bleiben könnten, auch wenn sie nicht mehr als dunkle Merkmale erkennbar sind. Es wird angenommen, dass sich dunkle Flecken entweder auflösen, wenn sie zu nahe an den Äquator wandern, oder möglicherweise durch einen alternativen, noch unbestimmten Mechanismus.

Im Jahr 1989 entdeckte das Planetary Radio Astronomy (PRA)-Experiment an Bord der Voyager 2 etwa 60 Blitze, die als neptunische elektrostatische Entladungen identifiziert wurden und Energien von mehr als 7×10§910§ J aussendeten. Gleichzeitig registrierte ein Plasmawellensystem (PWS) 16 verschiedene elektromagnetische Wellenereignisse über mehrere Zeiträume hinweg ein Frequenzbereich von 50–12 kHz, bei magnetischen Breiten zwischen 7° und 33°. Es wird vermutet, dass diese Plasmawellenbeobachtungen durch Blitzaktivität induziert wurden, die über einen Zeitraum von 20 Minuten in den Ammoniakwolken der Magnetosphäre auftrat.

Während der größten Annäherung von Voyager 2s an Neptun lieferte das PWS-Instrument die ersten Plasmawellennachweise für den Planeten, die mit einer Abtastrate von 28.800 Proben pro Sekunde aufgezeichnet wurden. Die beobachteten Plasmadichten variierten von 10⁻³ bis 10⁻¹ cm§910§. Es wird angenommen, dass sich Neptun-Blitze in drei verschiedenen Wolkenschichten manifestieren. Mikrophysikalische Modelle deuten darauf hin, dass sich die meisten dieser Ereignisse in den troposphärischen Wasserwolken oder den flachen magnetosphärischen Ammoniakwolken ereignen. Prognosen deuten darauf hin, dass die Blitzrate auf Neptun etwa 1/19 der Blitzrate auf Jupiter beträgt, wobei sich die meiste Aktivität auf hohe Breiten konzentriert. Dennoch scheinen Blitzphänomene auf Neptun eine größere Ähnlichkeit mit terrestrischen Blitzen als mit Jupiter-Blitzen zu haben.

Orbitalbewegung und Beobachtung

Neptun hat eine durchschnittliche Umlaufbahnentfernung von 4,5 Milliarden km von der Sonne, was etwa 30,1 Astronomischen Einheiten (AE) entspricht, wobei eine AE die mittlere Entfernung Erde-Sonne darstellt. Der Planet durchläuft im Durchschnitt alle 164,79 Jahre eine vollständige Umlaufbahn, mit einer Variabilität von etwa ±0,1 Jahren. Seine Perihelentfernung beträgt 29,81 AE, während seine Aphelentfernung 30,33 AE beträgt. Mit einer Bahnexzentrizität von lediglich 0,008678 besitzt Neptun die zweitgrößte Kreisbahn unter den Planeten des Sonnensystems und wird nur von Venus übertroffen. Die Neigung der Neptunbahn relativ zur Erdbahnebene beträgt 1,77°.

Am 11. Juli 2011 erreichte Neptun seine erste vollständige baryzentrische Umlaufbahn seit seiner ersten Entdeckung im Jahr 1846. Allerdings stimmte seine Himmelsposition nicht genau mit seinen Entdeckungskoordinaten überein, da sich die Umlaufposition der Erde innerhalb ihres 365,26-Tage-Zyklus änderte. Darüber hinaus führte die Bewegung der Sonne relativ zum Schwerpunkt des Sonnensystems dazu, dass sich Neptun am 11. Juli nicht an seiner genauen Entdeckungsposition relativ zur Sonne befand; Bei Verwendung des verbreiteteren heliozentrischen Koordinatensystems wurde der Entdeckungslängengrad am 12. Juli 2011 erreicht.

Beobachtung

Neptun ist nicht ausreichend leuchtend, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein. Seine aktuelle scheinbare Helligkeit schwankt zwischen 7,67 und 7,89 und weist einen Mittelwert von 7,78 und eine Standardabweichung von 0,06 auf. Mehrere Himmelskörper, darunter Jupiters galiläische Monde, der Zwergplanet Ceres und Asteroiden wie 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno und 6 Hebe, können seine Helligkeit übertreffen. Mit Hilfe eines Teleskops oder eines leistungsstarken Fernglases erscheint Neptun als winzige blaue Scheibe, die Ähnlichkeit mit Uranus aufweist. Zwischen 1980 und 2000 nahm die Leuchtkraft von Neptun um etwa 10 % zu, was hauptsächlich auf saisonale Schwankungen zurückzuführen ist. Es wird erwartet, dass dieser Aufhellungstrend anhält, wenn sich der Planet im Jahr 2042 seinem Perihel nähert. Vor 1980 betrug die Helligkeit des Planeten nur 8,0.

Aufgrund seiner beträchtlichen Entfernung von der Erde beträgt der Winkeldurchmesser von Neptun lediglich 2,2 bis 2,4 Bogensekunden und ist damit der kleinste Planet im Sonnensystem. Diese geringe scheinbare Größe stellt die visuelle Beobachtung vor große Herausforderungen. Teleskopdaten blieben bis zur Einführung des Hubble-Weltraumteleskops und fortschrittlicher bodengestützter Observatorien mit adaptiver Optik (AO) begrenzt. Beispielsweise war die Rotationsperiode von Neptun noch 1977 noch unbestimmt. Die ersten erfolgreichen bodengestützten Beobachtungen mit adaptiver Optik fanden 1997 auf Hawaii statt. Derzeit nähert sich Neptun seinem Perihel (seinem sonnennächsten Orbitalpunkt), einer Phase, die mit der beobachteten Erwärmung, erhöhter atmosphärischer Aktivität und erhöhter Leuchtkraft korreliert. Mit diesen fortschrittlichen Technologien können nun immer komplexere Bilder von Neptun aufgenommen werden. Seit Mitte der 1990er Jahre haben sowohl Hubble als auch Teleskope mit adaptiver Optik zahlreiche Entdeckungen ermöglicht, insbesondere eine Erweiterung des Katalogs bekannter Satelliten, die die äußeren Planeten umkreisen. Konkret wurden in den Jahren 2004 und 2005 fünf zuvor nicht katalogisierte kleine Neptunsatelliten mit einem Durchmesser von 38 bis 61 Kilometern identifiziert.

Von der Erde aus beobachtet, erfährt Neptun etwa alle 367 Tage eine scheinbare rückläufige Bewegung, die sich in jeder Opposition als charakteristische Schleifenbahn vor dem Hintergrund von Fixsternen manifestiert. Solche Schleifen brachten den Planeten im April und Juli 2010 und anschließend im Oktober und November 2011 in die Nähe seiner Entdeckungskoordinaten von 1846.

Mit einer Umlaufzeit von 164 Jahren durchquert Neptun jedes Sternbild im Durchschnitt 13 Jahre lang. Im Jahr 2011 schloss der Planet seine erste vollständige Sonnenumlaufbahn seit seiner Entdeckung ab und kehrte damit zu seiner ursprünglich beobachteten Position nordöstlich von Iota Aquarii zurück.

Radiofrequenzbeobachtungen von Neptun zeigen seinen Status als Quelle sowohl kontinuierlicher Emissionen als auch intermittierender Ausbrüche. Es wird angenommen, dass diese Emissionen vom rotierenden Magnetfeld des Planeten ausgehen. Im Infrarotspektrum manifestieren sich Neptuns atmosphärische Stürme als leuchtende Strukturen vor einem kühleren Hintergrund, was eine genaue Verfolgung ihrer Abmessungen und Morphologie ermöglicht.

Gravitationsdomäne und Einfluss

Planetenringe

Neptun besitzt ein Planetenringsystem, wenn auch eines, das deutlich weniger ausgeprägt ist als die um Saturn und Uranus beobachteten. Es wird angenommen, dass diese Ringe aus Eispartikeln bestehen, die von Silikaten oder kohlenstoffhaltigen Verbindungen umhüllt sind, die ihnen wahrscheinlich ihre rötliche Färbung verleihen. Zu den Hauptbestandteilen dieses Systems gehören der schmale Adams-Ring, der 63.000 km vom Zentrum Neptuns entfernt liegt; der Le Verrier Ring mit 53.000 km; und der breitere, diffusere Galle Ring, der sich bei 42.000 km befindet. Eine subtile äußere Erweiterung des Le-Verrier-Rings, die als Lassell bezeichnet wird, wird äußerlich durch den Arago-Ring begrenzt, der sich bei 57.000 km befindet.

Die erste Entdeckung dieser Planetenringe erfolgte 1968 und wurde einem Forschungsteam unter der Leitung von Edward Guinan zugeschrieben. Die anschließende Analyse dieser Daten, kombiniert mit neuen Beobachtungen in den frühen 1980er Jahren, führte zu der Hypothese, dass dieses Ringsystem diskontinuierlich sein könnte. Hinweise auf mögliche Lücken innerhalb der Ringe tauchten erstmals während einer Sternbedeckung im Jahr 1984 auf, bei der die Ringe einen Stern beim Eintauchen, nicht aber beim Auftauchen verdeckten. Die Angelegenheit wurde endgültig durch Bilder geklärt, die 1989 von Voyager 2 aufgenommen wurden und deutlich mehrere schwache Ringe zeigten.

Der äußerste Adams-Ring besteht aus fünf unterschiedlichen Bögen, die als Courage, Liberté, Egalité 1, Egalité 2 und Fraternité (Mut, Freiheit, Gleichheit und Brüderlichkeit) bezeichnet werden. Das Fortbestehen dieser Bögen stellte ein erhebliches astrophysikalisches Rätsel dar, da die Orbitalmechanik normalerweise ihre schnelle Auflösung in einen gleichmäßigen Ring vorhersagen würde. Zeitgenössische astronomische Modelle führen die Beschränkung dieser Bögen auf den Gravitationseinfluss von Galatea zurück, einem Mond, der sich unmittelbar innerhalb des Rings befindet.

Erdbeobachtungen aus dem Jahr 2005 deuten darauf hin, dass das Ringsystem von Neptun eine größere Instabilität aufweist als bisher angenommen. Zwischen 2002 und 2003 vom W. M. Keck-Observatorium aufgenommene Bilder zeigten bei Gegenüberstellung mit Daten von Voyager 2 eine erhebliche Verschlechterung innerhalb der Ringe. Insbesondere deuten Prognosen darauf hin, dass sich der Liberté-Bogen innerhalb von etwa einem Jahrhundert auflösen könnte.

Neptun-Satelliten

Neptun besitzt 16 identifizierte Monde. Triton ist der massereichste Neptun-Satellit, er macht über 99,5 % der Gesamtmasse aus, die den Planeten umkreist, und ist der einzige Mond, der groß genug ist, um eine Kugelform zu erreichen. William Lassell entdeckte Triton nur 17 Tage nach Neptuns eigener Entdeckung. Im Gegensatz zu anderen großen Planetenmonden im Sonnensystem weist Triton eine retrograde Umlaufbahn auf, was eher darauf schließen lässt, dass er eingefangen wurde, als dass er sich in situ gebildet hat. Es wird vermutet, dass er als Zwergplanet im Kuipergürtel entstanden ist. Seine Nähe zu Neptun führt zu einer synchronen Rotation, und aufgrund der Gezeitenbeschleunigung dreht er sich allmählich spiralförmig nach innen. Letztendlich wird Triton voraussichtlich in etwa 3,6 Milliarden Jahren zerfallen, wenn es die Roche-Grenze erreicht. Im Jahr 1989 wurde Triton mit geschätzten Temperaturen von 38 K (−235 °C) als der kälteste gemessene Himmelskörper im Sonnensystem registriert. Diese außergewöhnlich niedrige Temperatur wird auf Tritons bemerkenswert hohe Albedo zurückgeführt, die eine erhebliche Reflexion der Sonnenstrahlung anstelle einer Absorption ermöglicht.

Nereid, Neptuns zweiter entdeckter Satellit und ein unregelmäßiger Mond, besitzt eine der exzentrischsten Umlaufbahnen aller Satelliten im Sonnensystem. Seine Exzentrizität, gemessen bei 0,7512, führt zu einer Apoapsis, die siebenmal größer ist als sein Periapsisabstand von Neptun.

Zwischen Juli und September 1989 identifizierte Voyager 2 sechs weitere Neptunmonde. Unter diesen ist der unregelmäßig geformte Proteus bemerkenswert, da er der größte Himmelskörper seiner Dichte ist, der nicht durch die Schwerkraft in eine Kugelform gezwungen wurde. Obwohl er der zweitgrößte Neptunmond ist, macht seine Masse nur 0,25 % der Masse von Triton aus. Die vier innersten Satelliten des Neptun – Naiad, Thalassa, Despina und Galatea – halten Umlaufbahnen aufrecht, die nahe genug sind, um innerhalb des Ringsystems des Planeten zu liegen. Larissa, der nächste Mond nach außen, wurde erstmals 1981 während einer Sternbedeckung entdeckt. Ursprünglich wurde dieses Ereignis Ringbögen zugeschrieben; Beobachtungen von Voyager 2 im Jahr 1989 bestätigten jedoch später Larissa als Erreger. Fünf neuartige unregelmäßige Monde, die zwischen 2002 und 2003 entdeckt wurden, wurden 2004 öffentlich bekannt gegeben. Hippocamp, ein neuer und kleinster bislang identifizierter Mond, wurde 2013 durch die Synthese mehrerer Hubble-Bilder entdeckt. Im Einklang mit Neptuns Identität als römischer Gottheit des Meeres sind seine Monde nach kleineren Meeresgöttern benannt.

Orbitalresonanzen

Neptuns Umlaufbahn übt einen erheblichen Einfluss auf die angrenzende Region aus, die als Kuipergürtel bezeichnet wird. Dieser Gürtel besteht aus einem riesigen Ring aus winzigen Eiskörpern, analog zum Asteroidengürtel, aber wesentlich ausgedehnter, der sich von Neptuns Umlaufbahn in 30 AE bis etwa 55 AE von der Sonne erstreckt. Parallel zur Gravitationsdominanz von Jupiter über den Asteroidengürtel bestimmt das Gravitationsfeld von Neptun den Kuipergürtel. Im Laufe der Geschichte des Sonnensystems haben die Gravitationskräfte Neptuns bestimmte Zonen innerhalb des Kuipergürtels destabilisiert und dadurch strukturelle Lücken erzeugt, wie beispielsweise in der Region zwischen 40 und 42 AE.

Innerhalb dieser leeren Regionen ermöglichen bestimmte Orbitalkonfigurationen, dass Objekte über die gesamte Lebensdauer des Sonnensystems bestehen bleiben. Solche Resonanzen entstehen, wenn die Umlaufperiode eines Objekts ein exaktes Bruchteilvielfaches der Umlaufzeit von Neptun ist, beispielsweise Verhältnisse wie 1:2 oder 3:4. Beispielsweise würde ein Objekt, das für alle zwei Umlaufbahnen Neptuns eine Sonnenumlaufbahn durchläuft, nur die Hälfte seiner Bahn zurücklegen, wenn Neptun zu seiner Ausgangsposition zurückkehrt. Die 2:3-Resonanz ist die am dichtesten besiedelte im Kuipergürtel und umfasst über 200 identifizierte Objekte. Objekte innerhalb dieser Resonanz vollführen zwei Umlaufbahnen für jeweils drei Umlaufbahnen von Neptun und werden Plutinos genannt, eine Bezeichnung, die von Pluto, dem größten bekannten Objekt des Kuipergürtels, abgeleitet ist, das zu dieser Gruppe gehört. Trotz der regelmäßigen Umlaufbahn von Pluto und Neptun verhindert die 2:3-Resonanz eine mögliche Kollision. Andere Resonanzen, darunter 3:4, 3:5, 4:7 und 2:5, weisen geringere Populationen auf.

Neptun beherbergt mehrere bekannte trojanische Objekte, die sich an den Lagrange-Punkten Sonne-Neptun L₄ und L₅ befinden – gravitativ stabile Regionen, die Neptun auf seiner Umlaufbahn vorausgehen und folgen. Es wird angenommen, dass diese Neptun-Trojaner in einer 1:1-Orbitalresonanz mit Neptun stehen. Bestimmte Neptun-Trojaner weisen eine außergewöhnliche Orbitalstabilität auf, was eher auf ihre gemeinsame Bildung mit Neptun als auf eine anschließende Gefangennahme schließen lässt. Das erste Objekt, das im Zusammenhang mit Neptuns hinterem Lagrange-Punkt L₅ identifiziert wurde, war 2008 LC18. Darüber hinaus besitzt Neptun einen temporären Quasi-Satelliten mit der Bezeichnung (309239) 2007 RW§1415§. Dieses Objekt hat seinen Quasi-Satellitenstatus etwa 12.500 Jahre lang beibehalten und wird voraussichtlich für eine entsprechende Dauer in dieser dynamischen Konfiguration verbleiben.

Exploration

Bis heute ist Voyager 2 das einzige Raumschiff, das einen Vorbeiflug an Neptun durchgeführt hat. Seine größte Annäherung an den Planeten wurde am 25. August 1989 erreicht. Da Neptun der letzte große Planet war, der für die Raumsonde zugänglich war, wurde ein enger Vorbeiflug an seinem Mond Triton priorisiert, unabhängig von den Auswirkungen auf die Flugbahn, was die Strategie widerspiegelte, die bei der Begegnung von Voyager 1 mit Saturn und seinem Mond Titan angewendet wurde. Die von Voyager 2 zur Erde übertragenen Bilder bildeten anschließend die Grundlage für eine PBS-Nachtsendung von 1989 mit dem Titel Neptune All Night.

Während der Begegnung dauerte es 246 Minuten, bis die von der Raumsonde gesendeten Signale die Erde erreichten. Folglich wurden die meisten Missionsoperationen von Voyager 2 für die Neptun-Begegnung über vorprogrammierte Befehle ausgeführt. Die Raumsonde führte eine enge Annäherung an den Mond Nereid durch, bevor sie am 25. August eine Entfernung von 4.400 km von Neptuns Atmosphäre erreichte und später an diesem Tag in der Nähe des größten Mondes des Planeten, Triton, vorbeiflog.

Die Raumsonde bestätigte das Vorhandensein eines planetarischen Magnetfelds und notierte seinen Versatz vom Zentrum und seine axiale Neigung, eine Konfiguration, die der um Uranus beobachteten ähnelt. Messungen von Radioemissionen erleichterten die Bestimmung der Rotationsperiode von Neptun, und Voyager 2 enthüllte ein bemerkenswert aktives Wettersystem. Darüber hinaus wurden sechs neue Monde identifiziert und festgestellt, dass der Planet mehrere Ringe besitzt. Dieser Vorbeiflug lieferte die erste präzise Messung der Masse von Neptun, die 0,5 Prozent niedriger ausfiel als frühere Berechnungen. Diese überarbeitete Massenzahl widerlegte folglich die Hypothese, dass ein unentdeckter Planet Der Start dieser Sonden ist für die 2020er Jahre geplant. Sie sollen unterschiedliche Flugbahnen durchlaufen, um die gegenüberliegenden Grenzen der Heliosphäre zu untersuchen. Konkret soll die zweite Sonde, IHP-2, im Januar 2038 einen Vorbeiflug an Neptun in einer Höhe von nur 1.000 km über seinen Wolkenobergrenzen durchführen, mit der Möglichkeit, während ihres Anflugs einen atmosphärischen Impaktor einzusetzen. Anschließend wird es seine Mission über den Kuipergürtel in Richtung des Schwanzes der Heliosphäre fortsetzen, einer Region, die derzeit noch nicht untersucht wurde.

Nach den Vorbeiflügen von Voyager 2 und IHP-2' ist die anschließende Phase der wissenschaftlichen Erforschung des Neptunsystems als Orbitalmission vorgesehen; Die meisten Vorschläge für solche Missionen stammen von der NASA, die häufig einen Orbiter der Flaggschiff-Klasse befürwortet. Im Jahr 2003 enthielten die „Vision Missions Studies“ der NASA einen Vorschlag für eine „Neptune Orbiter with Probes“-Mission, mit der wissenschaftliche Ziele erreicht werden sollten, die mit denen der Cassini-Mission vergleichbar sind. Ein späterer Vorschlag, der letztendlich nicht ausgewählt wurde, beschrieb Argo, ein vorbeifliegendes Raumschiff, das 2019 starten soll und dessen Flugbahn Jupiter, Saturn, Neptun und ein Kuipergürtelobjekt umfasst. Der Hauptschwerpunkt dieser Mission wäre die Untersuchung von Neptun und seinem größten Mond, Triton, gewesen, die für etwa 2029 geplant ist.

Die geplante Mission New Horizons 2 wurde später abgesagt, obwohl sie für einen nahen Vorbeiflug am Neptunsystem gedacht war. Im Rahmen des Discovery-Programms wurde vorgeschlagen, dass die Raumsonde Trident einen Vorbeiflug an Neptun und Triton durchführen würde; Diese Mission wurde jedoch weder für Discovery 15 noch für 16 ausgewählt. Neptune Odyssey stellt einen weiteren Konzeptentwurf für einen Neptun-Orbiter und eine Atmosphärensonde dar, die die NASA als potenzielle große strategische Wissenschaftsmission bewertete. Diese Mission wäre zwischen 2031 und 2033 gestartet und hätte Neptun im Jahr 2049 erreicht. Dennoch erhielt die Uranus-Orbiter- und Probe-Mission aus logistischen Gründen die Empfehlung als Eisriesen-Orbiter-Mission und sicherte sich damit höchste Priorität vor dem Enceladus Orbilander.

Zwei bemerkenswerte Vorschläge für eine Triton-fokussierte Neptun-Orbiter-Mission, die schätzungsweise in der Kostenspanne zwischen Trident und liegen Odyssey-Missionen im Rahmen des New Frontiers-Programms sind der Triton Ocean World Surveyor und Nautilus. Ihre jeweiligen Kreuzfahrtphasen sind für die Zeiträume 2031–47 und 2041–56 geplant. Neptun wird auch als potenzielles Ziel für Chinas Mission Tianwen-5 identifiziert, deren Ankunft im Jahr 2058 erwartet wird.

Notizen

Notizen

Referenzen

Bibliographie

• Burgess, Eric (1991). Far Encounter: Das Neptunsystem. New York: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-07412-4.Moore, Patrick (2000). Das Datenbuch der Astronomie. Baton Rouge: Taylor & Francis Group. ISBN 978-0-7503-0620-1.Miner, Ellis D.; Wessen, Randii R. (2002). Neptun: Der Planet, Ringe und Satelliten. Springer-Praxis-Bücher in den Bereichen Astronomie und Weltraumwissenschaften. London; New York: Springer. ISBN 978-1-85233-216-7.
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    • Neptun-Informationsblatt der NASA, archiviert am 1. Juli 2010 bei der Wayback Machine
    • Neptune Astronomy Cast Folge Nr. 63, enthält vollständiges Transkript.
    • Interaktive 3D-Schwerkraftsimulation von Neptun und seinen inneren Monden, archiviert am 22. September 2020 auf der Wayback Machine