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Neptun (Planet)

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Neptun  Astronomisches Symbol des Neptuns.
Neptun mit drei seiner Monde in natürlichen Farben
Neptun mit drei seiner Monde in natürlichen Farben
Neptun mit drei seiner Monde in natürlichen Farben, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop.
Eigenschaften des Orbits[1]
Große Halbachse 1 AE
(149,6 Mio. km)
Exzentrizität 0,0113
Perihel – Aphel 0,989 – 1,011 AE
Neigung der Bahnebene 1,769°
Siderische Umlaufzeit 164,79 a
Synodische Umlaufzeit 367,49 d
Mittlere Orbitalgeschwindigkeit 5,43 km/s
Physikalische Eigenschaften[1]
Äquatordurchmesser∗ 49.528 km
Poldurchmesser∗ 48.682 km
Masse 1,0243 · 1026 kg
Mittlere Dichte 1,638 g/cm3
Hauptbestandteile
(Stoffanteil der oberen Schichten)
Fallbeschleunigung∗ 11,15 m/s2
Fluchtgeschwindigkeit 23,5 km/s
Rotationsperiode 16 h 6 min 36 s
Neigung der Rotationsachse 28,32°
Geometrische Albedo 0,41
Temperatur∗
Min. – Mittel – Max. 		72
∗bezogen auf das Nullniveau des Planeten
Sonstiges
Monde 13
Größenvergleich zwischen Erde und Neptun (maßstabsgerechte Fotomontage).

Neptun ist von der Sonne aus gesehen der achte und äußerste Planet im Sonnensystem und wurde 1846 entdeckt. Der Gasplanet ist nach Neptun, dem römischen Gott des Meeres und der Fließgewässer, benannt. Sein Zeichen Vorlage:Unicode ist ein stilisierter Dreizack, die Waffe des Meeresgottes Neptun. Er bildet zusammen mit Uranus die Untergruppe der „Eisriesen“.

Bei der Suche nach Exoplaneten werden entdeckte Planeten, die ähnliche Masse wie Neptun aufweisen, manchmal als Planet der „Neptun-Klasse“ oder als „Hot Neptun“ bezeichnet. Analog dazu beziehen sich Astronomen auch oft auf verschiedene extrasolare „Jupiters“ oder „Hot-Jupiters“.[2]

Umlaufbahn und Rotation

Neptuns Umlaufbahn um die Sonne ist mit einer Exzentrizität von 0,0113 fast kreisförmig. Sein sonnennächster Punkt, das Perihel, liegt bei 29,709 AE und sein sonnenfernster Punkt, das Aphel, bei 30,385 AE. Er ist damit der äußerste Planet des Sonnensystems. Seine Bahnebene ist mit 1,769° nur leicht gegen die Ekliptik (Bahnebene der Erde) geneigt. Für einen Umlauf um die Sonne benötigt Neptun etwa 165 Jahre.

Ein Tag dauert auf Neptun 16 Sunden und 6 Minuten. Die Folge dieser schnellen Rotation ist eine Abplattung von 1,7 %. Somit ist der Durchmesser an den Polen etwa 1000 km geringer als am Äquator. Die Neigung des Äquators gegenüber seiner Bahnebene beträgt 28,32°. Die Schrägstellung seiner Rotationsachse ist damit etwas höher als die der Erde.

Im äußeren Bereich des Sonnensystems beeinflusst Neptun aufgrund seiner relativ großen Masse die Bahnen vieler kleinerer Körper wie die der Plutinos und der Transneptune. Plutos Umlaufbahn ist so exzentrisch, dass er in seinem Perihel der Sonne näher kommt als Neptun. Aus der Perspektive des Nordpols der Ekliptik – senkrecht zur Ekliptikebene – scheinen sich daher ihre Bahnen zu schneiden. Allerdings ist die Umlaufbahn von Pluto um mehr als 17,1° zur Ebene der Ekliptik geneigt. Zum Zeitpunkt der Nähe Plutos zur Sonne befindet sich Pluto fast an seinem nördlichsten Punkt über der Ekliptikebene und schneidet daher nicht die Bahn Neptuns. Zusätzlich zwingt Neptun Pluto eine 2:3-Bahnresonanz auf. Während Neptun drei Sonnenumläufe vollführt, umrundet Pluto nur zweimal die Sonne. Die Bahnen sind so synchronisiert, dass Neptun bei der scheinbaren Kreuzung der Umlaufbahn Plutos immer weit von ihm entfernt ist. Von 1979 bis 1999 war Pluto der Sonne näher als Neptun.

Neptun wird sich am 11. August 2011 erstmals wieder an der Position seiner Umlaufbahn befinden, an der ihn Johann Galle 1846 entdeckte. Zu diesem Zeitpunkt wird Neptun seinen ersten Orbit seit seiner Entdeckung beendet haben.

Physikalische Eigenschaften

Neptun, der viertgrößte Planet des Sonnensystems, gehört mit einem Durchmesser von knapp 50.000 km zu den Gasriesen. Mit einer Dichte von 1,64 g/cm³ ist er der kompakteste Gasplanet. Auch wenn Neptun etwas kleiner ist als Uranus, ist Neptun mit der 17-facher Erdmasse massiver. Jupiter ist immerhin noch 18-mal massereicher als Neptun.

Obere Schichten

Die oberen Schichten der Atmosphäre bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff (80 ± 3,2 Vol-%) und Helium (19 ± 3,2 Vol-%), etwas Methan (1,5 ± 0,5 Vol-%), deuteriertem Wasserstoff HD (192 Vol-ppm) und Spuren von Ethan (1,5 Vol-ppm).[1] Neptuns blaue Farbe wird wie bei Uranus durch das Methan verursacht, das rotes Licht absorbiert. Markante Absorptionsbänder von Methan treten im roten und infraroten Teil des Spektrums bei Wellenlängen über 600 nm auf. Seine blaue Farbe erscheint jedoch viel kräftiger als die des blaugrünen Uranus, dessen Atmosphäre ähnlich aufgebaut ist. Vermutlich ist ein weiterer Bestandteil der Atmosphäre für Neptuns intensivere Farbe verantwortlich. Die oberen Schichten haben eine Ausdehnung von etwa 10 bis 20 % des Planetenradius'. Höhere Konzentrationen von Methan, Ammoniak und Wasser sind in den unteren Bereichen der Atmosphäre vorhanden.

Stürme in der Neptun-Atmosphäre: „Great Dark Spot“ (oben), „Scooter“ (mittlere weiße Wolke) und der „Small Dark Spot“ (unten).

Da Neptun die Sonne in großem Abstand umläuft, empfängt er nur wenig Wärme von der Sonne. Seine Temperatur beträgt in der Tiefe, bei der ein Druck von 0,1 Bar herrscht, etwa −218 °C (55 K) und bei 1 Bar −201 °C (72 K).[3] Damit ist der Planet einer der kältesten Orte des Sonnensystems.

Man kann keine klar nach unten begrenzte Atmosphäre definieren, denn das Gas überschreitet mit zunehmender Tiefe den kritischen Druck oberhalb der kritischen Temperatur. Daher gibt es keinen Phasenübergang in den flüssigen Aggregatzustand, sodass es keine fest definierte Oberfläche des Planeten gibt.

Innerer Aufbau

Uranus und Neptun sind „Eisriesen“. Sie haben einen größeren festen Kern als Jupiter und Saturn. Wie Uranus könnte er mehr oder weniger einheitlich in seiner Zusammensetzung sein. Im Gegensatz dazu haben Jupiter und Saturn getrennte innere Schichten aufzuweisen.

Innerer Aufbau.

Es wird angenommen, dass sich im Zentrum ein fester Kern von etwa 1- bis 1½-facher Erdmasse befindet. Dieser besteht aus Gestein und Metall und ist nicht größer als die Erde. Die Temperatur in seinem Zentrum liegt bei etwa 7000 °C und der Druck beträgt einige Millionen Bar.

Umgeben ist das Zentrum von einem Mantel oder Ozean aus einer Mischung von Fels, Wasser, Ammoniak und Methan, der einer Masse von 10- bis 15-facher Erdmasse entspricht (Diese Mixtur aus Wasser, Methan oder Ammoniak wird von den Planetologen als Eis bezeichnet, auch wenn sie in Wirklichkeit heiße und sehr dichte Flüssigkeiten sind, und diese Stoffe im äußeren Sonnensystem normalerweise im festen Zustand auftreten.). Die den Mantel umgebende obere Schicht hat einen Anteil von etwa 1 bis 2 Erdmassen.

Vergleicht man die Rotationsgeschwindigkeit mit dem Faktor der Abplattung, zeigt sich, dass die Masse im Inneren Neptuns gleichmäßiger als beim Uranus verteilt ist. Bei Uranus wird die Masse Richtung Zentrum viel dichter als bei Neptun.

Neptun hat ebenso wie Jupiter und Saturn eine innere Wärmequelle. Er strahlt mehr als doppelt soviel Energie ab, wie er von der Sonne erhält.[4] Ein Grund dafür könnte ein radioaktiver Prozess sein, der den Planetenkern aufheizen könnte.[5] Eine weitere Möglichkeit wäre die Abstrahlung der noch vorhandenen Hitze, die während der Entstehung durch einfallende Materie des Planeten gebildet wurde. Es könnte auch das Brechen von Schwerewellen über der Tropopause die Ursache dieser Wärmeabgabe sein.[6][7]

Wetter

Ein Unterschied zwischen Neptun und Uranus ist das Ausmaß der meteorologischen Aktivität. Als das Raumschiff Voyager 2 1986 an Uranus ankam, war dieser Planet praktisch strukturlos, während Neptun 1989 beim Anflug von Voyager 2 bemerkenswerte Wetterphänomene zeigte. Lange helle Wolken, die den Cirruswolken der Erde ähnlich waren, wurden hoch in Neptuns Atmosphäre ausgemacht.

Man könnte erwarten, dass mit steigender Entfernung von der Sonne immer weniger Energie vorhanden wäre, um die Winde anzutreiben. Auf Jupiter wehen Winde mit mehreren Hundert Stundenkilometern. Neptun bekommt jedoch nur mehr 3 % der Sonnenenergie des Jupiters geliefert. Trotzdem entdeckten die Wissenschaftler auf Neptun statt langsamerer Winde dynamische Stürme mit über 1600 km/h (Spitzenwerte bis zu 2100 km/h). Das ist nahe der Überschallgeschwindigkeit.[8] Damit weist Neptuns Atmosphäre die höchsten Windgeschwindigkeiten des Sonnensystems auf. Eine Vermutung ist, dass es auf Neptun so wenig solare Energie gibt, dass die einmal gestarteten Winde auf sehr wenig Widerstand treffen. Bei genügend vorhandener Energie müssten Turbulenzen entstehen, die die Winde schließlich bremsen würden (wie es bei Jupiter der Fall ist). Dadurch können sie ihre extrem hohen Geschwindigkeiten beibehalten. Einer anderen Theorie zufolge würden innere Wärmequellen die Winde antreiben.

Es sieht aus, als ob sich Neptuns Atmosphäre sehr schnell verändert. Schon geringe Temperaturunterschiede zwischen der oberen frostigen Wolkenobergrenze und der unteren Wolkenschicht, verstärkt durch Neptuns starker innerer Wärmequelle, könnten für die Instabilitäten in der Atmosphäre verantwortlich sein. In Neptuns kalter Atmosphäre mit Temperaturen von −218 °C (55 K) setzen sich die Cirruswolken aus gefrorenem Methan und weniger aus Wassereiskristallen (wie auf der Erde) zusammen.[9]

Datei:GDS Neptune.jpg
Der „Great Dark Spot“ von Voyager 2 aus gesehen.

1989 wurde durch Voyager 2 in der südlichen Hemisphäre Neptuns der so genannte „Great Dark Spot“ („Großer Dunkler Fleck“) entdeckt. Dieses Zyklonsystem, das dem „Kleinen Roten Fleck“ und „Großen Roten Fleck“ des Jupiters ähnelt und ein Hochdruckgebiet darstellt, erstreckte sich über ein Gebiet der Größe Eurasiens. Ursprünglich dachte man, das Gebilde sei selbst eine Wolke. Später einigte man sich auf ein Loch in der sichtbaren Wolkendecke. Der „Great Dark Spot“ (GDS) befand sich auf 22° südlicher Breite und umrundete Neptun in 18,3 Stunden. Die Form des Systems legt nahe, dass das Sturmsystem gegen den Uhrzeigersinn rotiert.[9] Die hellen Wolken östlich und südlich des GDSs änderten ihr Aussehen innerhalb weniger Stunden. Der GDS wurde jedoch am 2. November 1994 vom Hubble-Weltraumteleskop nicht mehr wiedergefunden. Der Grund für das Verschwinden des GDSs ist unbekannt. Einer Theorie nach könnte die vom Planetenkern stammende Hitze das Gleichgewicht der Atmosphäre gestört und existierende, umlaufende Strukturen zerrissen haben. Er könnte sich auch einfach aufgelöst haben oder von anderen Teilen der Atmosphäre verdeckt worden sein. Stattdessen wurde ein neuer Sturm, der dem GDS ähnelt, in der nördlichen Hemisphäre entdeckt.

Der „Scooter“ ist ein anderer Sturm. Er bildet weiße Wolkengruppen südlich des GDSs. Seinen Spitznamen bekam er, als er in den Monaten vor Voyager 2s Ankunft 1989 bei Neptun entdeckt wurde. Dieser bewegt sich in 16 Stunden einmal um Neptun und ist damit viel schneller als sich der GDS bewegte. Das Gebilde könnte eine Rauchfahne sein, die aus unteren Schichten aufsteigt. Nachfolgende Bilder zeigten Wolken, die sich noch schneller als der „Scooter“ bewegten. Der „Small Dark Spot“ (D2) ist ein südlicher Zyklonsturm, der im Uhrzeigersinn rotiert. Er war der zweitstärkste Sturm während der Begegnung 1989. Anfangs war er völlig dunkel. Als sich aber Voyager 2 dem Planeten annäherte, entwickelte sich ein heller Kern, der in den meisten hoch auflösenden Bildern zu sehen ist.

Magnetfeld

Neptun und auch Uranus besitzen nur eine dünne Schicht leitenden, metallischen Materials und erzeugen deshalb kein Dipol-, sondern ein Quadrupolfeld mit zwei Nord- und zwei Südpolen.[10] Das Magnetfeld ist gegenüber der Rotationsachse mit 47° stark geneigt. Die Feldstärke am Äquator beträgt etwa 1,4 µT und ist damit etwa 300-mal weniger stark als das äquatoriale Feld Jupiters (420 µT) und 20-mal schwächer als das äquatoriale Erdfeld (30 µT). Das magnetische Dipolmoment, das ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes bei vorgegebenem Abstand vom Zentrum des Planeten darstellt, ist mit 2,2 · 1017 Tm3 28-mal stärker als das Magnetfeld der Erde (7,9 · 1015 Tm3).[11] Der Mittelpunkt des Magnetfeldes ist um etwa 13.500 km vom Mittelpunkt des Planeten verschoben, so dass es wahrscheinlich ist, dass das Magnetfeld in höheren Schichten als bei Erde, Jupiter oder Saturn entsteht.[12] Die Ursache der Ausrichtung des Feldes könnte in den Fließbewegungen im Inneren des Planeten bestehen. Möglicherweise befindet es sich in einer Phase der Umpolung. An den magnetischen Polen wurden von Voyager 2 auch schwache komplexe Polarlichter entdeckt.

Ringsystem

Neptun hat ein sehr feines azurfarbenes Ringsystem, das aus mehreren ausgeprägten Ringen und den ungewöhnlichen Ringbögen im äußeren Adams Ring bestehen. Die Ringe sind, wie auch die Ringe von Uranus und Jupiter, ungewöhnlich dunkel und enthalten einen hohen Anteil mikroskopischem Staubes, der aus Einschlägen winziger Meteoriten auf Neptuns Monden stammen könnte.

Als die Ringe in den 1980er Jahren durch ein Team von Edward Guinan mittels Sternverdunkelungen entdeckt wurden, wurde vermutet, sie seien nicht komplett. Die Beobachtungen von Voyager 2 widerlegten diese Annahme. Die Ursache für diese Erscheinung sind helle Klumpen im Ringsystem. Der Grund der „klumpigen“ Struktur ist bisher noch ungeklärt.[13] Die Gravitationswechselwirkung mit kleinen Monden in der Ringumgebung könnte zu dieser Ansammlung beitragen.

Vollständige Ringe [14][15]
Name Umlaufradius (km) Breite (km) Optische Tiefe Staubanteil Benannt nach
Galle 41.900 2000 0,00008 0,4–0,75 Johann Galle
ungewiss [14] < ≈ 50,000 breit
LeVerrier 53.200 110 0,002 0,4–0,8 Urbain Le Verrier
Lassell 53.200–57.200 4000 0,00015 0,13–0,45 William Lassell
Arago 57.200 < 100 François Arago
nicht benannt 61.950 schmal
Adams 62.933 50 0,0045 0,17–0,55 John Couch Adams
Ringbögen im Adams Ring
Name Breite (km)[15]
1989		 Relative Länge Länge Stärke Anmerkungen
1989[16] 2003[17] 1989 2003 1989 2003
Liberté 15 ~26° ~25° 4° ~4° stark schwach „vorauslaufender“ Ringbogen
Égalité 15 ~11° ~13° ~5° ~8° stark stark „äquidistanter“ Ringbogen
Fraternité 15 ~0° ~0° 10° ~8° stark stark „nachfolgender“ Ringbogen
Courage 15 ~33° ~41° ~2° ~4° schwach schwach
Alle Ringbögen haben optische Tiefen von 0,12 und Staubanteile von 0,4 bis 0,8.

Die Ringe wurden nach Astronomen benannt, die bedeutende Beiträge zur Erforschung Neptuns lieferten.

Vier Monde Neptuns (Naiad, Thalassa, Despina und Galatea) umlaufen Neptun innerhalb der Ringregion.

Innere Ringe

Neptuns Ringsystem (von Voyager 2).

Das innere Ringsystem besteht von außen nach innen aus folgenden Ringstrukturen:[18]

Ein unbenannter, undeutlicher klumpiger Ring aus Staub in der Umlaufbahn von Galatea.

Der breite Lassell Ring (1989 N4R) ist ein matter Bogen, der sich mit einem Radius von 59.200 km 4000 km Richtung Neptun erstreckt. Er ist staubig, aber nicht in dem Ausmaß der anderen Ringe und ist eher mit dem zusammenhängenden Teil des Adam Rings vergleichbar. Es gibt eine hellere Erweiterung an der äußeren Kante, die Arago Ring genannt wird (1989 N5R). Die Innenkante des Lassel Rings grenzt an den LeVerrier Ring.[19][15]

Der schmale LeVerrier Ring (1989 N2R) ist der zweit auffälligste der Neptunringe und liegt mit einem Abstand von 700 km gerade noch außerhalb des Orbits des Mondes Despina. Dieser Ring ist ebenso wie die Ringbögen sehr staubhaltig.

Der innerste Galle Ring (1989 N3R) ist matt und nicht voll verstanden. Er liegt deutlich innerhalb der Bahn des innersten Neptunmondes Naiad. Der Galle Ring ist sehr staubig, ähnlich den Ringbögen.

Kleine „Schäfermonde“ bei den schmäleren Ringen verhindern, dass die Ringe auseinander treiben und damit diffuser werden.

Die Bilder von Voyager 2 deuten noch eine breite Scheibe diffusen Materials an. Sie scheint sich innerhalb des Radius' von 50.000 km des Galle Rings zu erstrecken. Diese Scheibe ist wegen Neptuns Glanz nicht leicht zu erkennen und damit ist ihre Existenz nicht sicher.[14]

Adams Ring und die Ringbögen

Ringbögen im Adams Ring
(von links nach rechts: Egalité, Fraternité, Liberté)
und innen der LeVerrier Ring.

Die auffälligste Ring ist der schmale äußere Adams Ring, obwohl er verglichen mit den Ringen des Saturns und des Uranus' immer noch sehr schwach erscheint. Seine ursprüngliche Bezeichnung war 1989 N1R. Die Existenz der Ringbögen ist nur schwierig zu erklären. Aufgrund der Bewegungsgesetze müsste erwartet werden, dass sich innerhalb kurzer Zeit die Bogensegmente zu vollständigen Ringen verteilen sollten.

Er beinhaltet mehrere längliche Bögen, die jeder 4–10° der Gesamtlänge des Ringes umspannen. Sie sind viel heller und undurchsichtiger als der Rest des Ringes und weisen eine entfernte Ähnlichkeit mit dem G Ring des Saturns auf. Ihre Existenz war anfangs ein Rätsel, da grundlegende Dynamik der Umlaufbahnen besagen, dass sie sich in sehr kurzer Zeit zu einem einheitlichen Ring verteilen müssten. Der Adams Ring hat 42 radiale Verschlingungen mit einer Amplitude von etwa 30 km. Diese Strukturen und die Begrenzung der Ringbögen werden vermutlich durch den gravitativen Einfluss des Mondes Galatea, der nur 1000 km innerhalb des Ringes rotiert, verursacht. Der Wert der Amplitude wurde verwendet, um Galateas Masse zu bestimmen.[16]

Die drei Hauptbögen werden Liberté, Égalité und Fraternité (Freiheit, Gleichheit und Brüderlichkeit nach dem berühmten Motto der französischen Republik und der französischen Revolution) genannt. Diese Bezeichnung wurde von den ursprünglichen Entdeckern, die sie während der Sternbedeckungen 1984 und 1985 entdeckten, vorgeschlagen.[20] Alle Ringbögen sind nahe beisammen und gemeinsam umspannen sie eine Länge von unter 40°.

Die höchst auflösenden Bilder von Voyager 2 enthüllten eine ausgesprochen klumpige Struktur in den Bögen. Der typische Abstand zwischen sichtbaren Klumpen beträgt 0,1° bis 0,2°. Dies entspricht 100 bis 200 km entlang des Ringes. Da die Brocken nicht aufgelöst wurden, ist nicht bekannt, ob sie größere Teile enthalten. Sie enthalten jedoch Konzentrationen von mikroskopischem Staub verbunden, das durch ihre erhöhte Helligkeit, wenn sie von der Sonne hinterleuchtet werden, belegt wird.[14]

Wie bei allen Ringen Neptuns ist der feine Staub ein wichtiger Bestandteil. Während schon im zusammenhängenden Hintergrundring viel Staub vorhanden ist, spielt er für die Ringbögen eine noch größere Rolle. Dort ist er für den Großteil des gestreuten Lichtes verantwortlich. Dies steht zum Beispiel in Kontrast zu den Hauptringen Saturns, dessen Hauptring weniger als 1 % Staub enthält. Der Ring hat eine intensive rote Farbe, und der diffuse Hintergrundring variiert entlang der Länge in seiner Helligkeit. Der Ring ist auf der gegenüberliegenden Seite etwa 50 % dunkler.[21]

Dynamik der Ringbögen

Mit Beginn des Betriebes von Hubble und erdgebundener Teleskope mittels adaptiver Optik wurden die Ringbögen beginnend mit 1998 wieder mehrere Male beobachtet.[22][23][17][24][25] Man bemerkte, dass die Ringbögen überraschend dynamisch waren und sich über einige Jahre beträchtlich veränderten. Fraternité und Égalité haben ihre Materie getauscht und ihre Längen merkbar geändert. Im Jahr 2005 veröffentlichte erdgebundene Untersuchungen zeigen, dass Neptuns Ringe deutlich instabiler sind, als bisher angenommen. Insbesondere der Liberté Ringbogen ermattet und könnte in weniger als einem Jahrhundert verschwunden sein. Seine Helligkeit betrug 2003 nur mehr 30 % seiner ursprünglichen Helligkeit von 1989 und ist in den Bildern von Juni 2005 vom Hubble Weltraumteleskop kaum noch zu sehen.

In der Zwischenzeit scheint der Bogen ein gespaltenes, zweifach gekrümmtes Profil bekommen zu haben und wanderte mehrere Bogengrade näher zum stabileren Égalité. Beim Courage Ringbogen, der während des Vorbeifluges von Voyager 2 sehr matt wirkte, wurde 1998 eine Aufhellung beobachtet. In letzter Zeit war er wieder so dunkel wie bei seiner Entdeckung und hat sich um zusätzliche 8° gegenüber den anderen Ringbögen vorwärts bewegt. Es gab einige Anzeichen, dass die Ringbögen allgemein mehr und mehr verblassen.[17][24] Beobachtungen im sichtbaren Bereich zeigen jedoch, dass die Gesamtmenge der Materie in den Ringbögen ungefähr gleich blieb, die Ringbögen jedoch im infraroten Bereich im Vergleich zu früheren Aufnahmen dunkler wurden.[25]

Diese Dynamik der Ringbögen ist derzeit noch nicht verstanden und die neuen Beobachtungen stellen den bisherigen Kenntnisstand über Neptuns Ringsystem in Frage.[26]

Entdeckung und Beobachtungen der Ringe

Das erste Anzeichen der Ringe um Neptun waren Beobachtungen von Sternbedeckungen. Auch wenn etwa 50 von ihnen vor dem Besuch durch Voyager 2 beobachtet wurden, gaben in den frühen 1980ern nur fünf von den Beobachtungen Anzeichen von Ringen wieder. Hinweise auf unvollständige Ringe wurden Mitte der 1980er Jahre gefunden, als Beobachtungen einer Sternbedeckung durch Neptun zusätzlich gelegentliches Aufblinken vor oder nach der Verdeckung des Sterns durch den Planeten zeigten. Dies war der Nachweis, dass die Ringe nicht komplett (oder nicht durchgängig) waren.[20][27]

Der Vorbeiflug an Neptun durch Voyager 2 1989 trug einen Großteil zum aktuellen Wissensstand über die Ringe bei. Bilder der Raumsonde zeigten den Aufbau des Ringsystems, das aus mehreren lichtschwachen, dünnen Ringen besteht. Verschiedene andere Ringe wurden von den Kameras der Sonde entdeckt. Zusätzlich zum schmalen Adams Ring, der sich 62.930 km vom Zentrum Neptuns entfernt befindet, wurden der LeVerrier Ring bei 53.200 km und der breitere, dunklere Galle Ring bei 41.900 km entdeckt. Die blasse Erweiterung des LeVerrier Rings nach außen wurde nach Lassell benannt und ist an seiner äußeren Kante durch den Arago Ring bei 57.600 km begrenzt.[28]

Durch Voyager 2s Bilder der Ringbögen konnte die Frage ihrer Unvollständigkeit beantwortet werden. Der Staubanteil wurde durch das Vergleichen der Helligkeit der Ringe bei frontaler und bei rückwärtiger Sonnenbeleuchtung geschätzt. Mikroskopischer Staub erscheint heller, wenn dieser von der Sonne aus dem Hintergrund beleuchtet wird. Dagegen werden größere Partikel dunkler, da nur ihre „Nachtseite“ sichtbar ist. Von den äußeren Planeten können nur Raumfahrzeuge solch eine Gegenlicht-Ansicht liefern, die für diese Art von Analyse nötig ist.

Vor kurzem wurden dank der Fortschritte in Auflösung und höhere Lichtausbeute die hellsten Teile des Ringes (die Ringbögen des Adams Rings) mit erdgebundenen Teleskopen untersucht. Sie sind leicht über den Rauschpegel der von Methan absorbierten Wellenlängen erkennbar, bei dem der Glanz Neptuns bedeutend reduziert wurde. Die undeutlicheren Ringe liegen immer noch weit unterhalb der Schwelle der Sichtbarkeit.

Monde

→ Hauptartikel: Liste der Neptunmonde

Neptun (oben) und Triton (unten).

Bei Neptun sind 13 Monde bekannt. Der bei weitem größte von ihnen ist Triton. Er wurde 17 Tage nach der Entdeckung des Neptun von William Lassell entdeckt. Aufgrund seiner großen Nähe zu Neptun ist er zu einer gebundenen Rotation gezwungen. Möglich wäre es, dass Triton einmal ein Objekt des Kuipergürtels war und von Neptun eingefangen wurde. Im Gegensatz zu allen anderen großen Monden im Sonnensystem läuft er retrograd (entgegengesetzt der Rotation des Planeten) um Neptun. Er nähert sich Neptun langsam auf einer Spiralbahn, um schließlich bei der Überschreitung der Roche-Grenze zerrissen zu werden. Triton ist mit Temperaturen von −235 °C (38 K) das kälteste jemals im Sonnensystem gemessene Objekt.

Triton, verglichen mit dem Erdmond
Name Durchmesser
(km) 		Masse
(kg) 		Bahnradius (km) Umlaufdauer (Tage)
Triton 2700
(80 % Mond) 		2, 15 · 1022
(30 % Mond) 		354,800
(90 % Mond) 		−5,877
(20 % Mond)
Neptuns Mond Proteus.

Es dauerte einhundert Jahre, bis Neptuns zweiter Mond, Nereid, entdeckt wurde. Nereid hat eine der exzentrischsten Umlaufbahnen aller Monde des Sonnensystems.

Von Juli bis September 1989 entdeckte die Weltraumsonde Voyager 2 sechs neue Neptunmonde. Auffällig ist der unregelmäßig geformte Proteus mit seiner dunklen, russähnlichen Erscheinung. Die vier innersten Neptunmonde Naiad, Thalassa, Despina und Galatea haben Umlaufbahnen innerhalb der Neptunringe. Der von innen nächstfolgende Mond Larissa wurde ursprünglich 1981 entdeckt, als er einen Stern bedeckte. Zunächst wurde ein Teil eines Ringbogens vermutet. Als Voyager 2 1989 Neptun erforschte, stellte sich heraus, dass diese Sternbedeckung durch einen Mond verursacht wurde.

Fünf weitere irreguläre Monde Neptuns wurden zwischen 2002 und 2003 entdeckt, und 2004 bekannt gegeben.[29][30] Zwei von den neu entdeckten Monden, Psamathe und Neso haben die größten Umlaufbahnen aller natürlichen Monde im Sonnensystem, die bis jetzt bekannt sind. Sie brauchen 25 Jahre, um Neptun zu umkreisen. Ihre durchschnittliche Distanz zum Neptun ist das 125-fache des Abstandes des Mondes zur Erde.

Da Neptun der römische Gott des Meeres war, wurden die Monde des Planeten nach anderen untergeordneten Meeresgöttern benannt.

Entstehung der Monde

Farbfoto von Triton.

Wahrscheinlich sind die inneren Monde nicht mit Neptun entstanden, sondern wurden durch Bruchstücke, die sich beim Einfangen von Triton entwickelt haben, gebildet. Tritons ursprüngliche Umlaufbahn, die er nach dem Einfangen durch Neptun innehatte, war sehr exzentrisch. Dadurch kam es zu chaotischen Störungen der ursprünglichen inneren Neptunmonde, die kollidierten und zu einer Geröllscheibe zerkleinert wurden. Erst als Triton nach und nach eine Kreisbahn annahm, konnten sich die Teile der Geröllscheibe wieder zu neuen Monden zusammenfügen.[31]

Der Ablauf der Einbindung Tritons als Mond war über die Jahre Thema einiger Theorien. Die letzte beinhaltet, dass er während einer Begegnung von drei Objekten an Neptun gebunden wurde. In diesem Szenario war Triton das Objekt eines Doppelsystems1, das die heftige Begegnung mit Neptun überstanden hatte.[32]

Numerische Simulationen zeigen, dass ein anderer 2002 entdeckter Mond, Halimede, seit seiner Entstehung eine hohe Wahrscheinlichkeit hatte, mit Nereid zu kollidieren.[33] Da beide Monde eine ähnlich graue Farbe aufzuweisen scheinen, könnten sie Fragmente des Mondes Nereid sein.[34]

1Binäre Objekte, gravitative Verbindungen von zwei Körpern, sind unter transneptunischen Objekten oft anzutreffen (> 10 %; die bekannteste ist Pluto-Charon) und nicht so häufig bei Asteroiden wie bei 243 Ida und Dactyl.

Irreguläre Monde

Neptuns irreguläre Monde.

Das Diagramm illustriert die Umlaufbahnen von Neptuns irregulären Monden, die bis jetzt entdeckt wurden. Die Exzentrizität der Bahnen wird durch gelbe Segmente (erweiternd vom Perizentrum zum Apozentrum), die Inklination durch die Y-Achse repräsentiert. Die Satelliten oberhalb der X-Achse bewegen sich prograd (rechtläufig), die Satelliten darunter retrograd (rückläufig). Die X-Achse ist mit Gm (Million km) und des Anteils an der Hill-Sphäre. Der gravitative Einfluss beträgt bei Neptun etwa 116 Millionen km.

Ausgehend von der Ähnlichkeit ihrer Umlaufbahnen wurde vorgeschlagen, dass Neso und Psamathe eine gemeinsame Herkunft durch das Auseinanderbrechen eines größeren Mondes haben könnten.[35]

Triton ist hier nicht zu sehen. Er bewegt sich rückläufig, hat jedoch eine fast kreisförmige Bahn. Bei Nereid, der sich auf einer rechtläufigen, jedoch sehr exzentrischen Bahn bewegt, wird vermutet, dass er während der „Integration“ Tritons in das Neptunsystem in seiner Bahn massiv gestört wurde.[36]

Trojaner

Zur Zeit (Stand November 2007) sind insgesamt sechs Neptun-Trojaner bekannt (2001 QR322, 2004 UP10, 2005 TN53 , 2005 TO74, 2006 RJ103 und 2007 RW10).[37] Sie werden in Analogie zu asteroiden Trojanern so genannt. Die Objekte eilen dem Planeten 60° auf dem Lagrangepunkt L4 voraus (der verlängerten gekrümmten Kurve der Planetenbahn) und haben die gleiche Umlaufzeit wie der Planet. Bis jetzt wurden noch keine Trojaner auf L5 nachgewiesen.

Die Entdeckung von 2005 TN53 mit einer hohen Bahnneigung (> 25°) ist signifikant, da dies auf eine dichte Wolke von Trojanern hinweisen könnte.[38] Es wird angenommen, dass große (Radius ≈ 100 km) neptunische Trojaner die Anzahl der Trojaner Jupiters um eine Größenordung übertreffen könnte.[39] [40]

Falls in der näheren Zukunft nachfolgende (L5) Trojaner entdeckt werden, besteht für die Raumsonde New Horizons eventuell die Möglichkeit, die Trojaner während ihrer Fahrt zu Pluto in dieser Region 2014 zu untersuchen.

Beobachtung

Neptun ist wegen seiner scheinbaren Helligkeit zwischen +7,8m und +8,0m mit dem freien Auge nie sichtbar. Sogar Jupiters Galileische Monde, der Zwergplanet Ceres und die Asteroiden 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno und 6 Hebe sind heller als Neptun. In einem starken Fernglas oder einem Teleskop erscheint er als blaues Scheibchen, dessen Erscheinung Uranus ähnelt. Die blaue Farbe stammt vom Methan seiner Atmosphäre.[41] Der scheinbare Durchmesser beträgt etwa 2,5 Bogensekunden. Seine kleine scheinbare Größe macht eine Beobachtung zur Herausforderung. Die meisten Daten von Teleskopen waren bis zum Beginn des Betriebs des Hubble Weltraumteleskops und erdgebundenen Teleskopen mit adaptiver Optik sehr limitiert.

Wie alle Planeten und Asteroide jenseits der Erde zeigt Neptun manchmal eine scheinbare Rückwärtsbewegung. Zusätzlich zum Start der Rückläufigkeit gibt es in einer synodischen Periode noch andere Ereignisse wie die Opposition, die Rückkehr zur rechtläufigen Bewegung und die Konjunktion zur Sonne.

Die Sichtbarkeit ist unter Neptunpositionen bis 2020 angegeben.

Konjunktion Stationär, nachher rückläufig Opposition Stationär, nachher rechtläufig
Datum Entfernung Helligkeit vis. Durchmesser
8. Februar 2007 25. Mai 2007 13. August 2007 29,03193 AE 7,8m 2,31″ 31. Oktober 2007
11. Februar 2008 26. Mai 2008 15. August 2008 29,02412 AE 7,8m 2,31″ 2. November 2008

Entdeckung

Urbain Le Verrier, der Mathematiker, der Neptun mit entdeckte.

Schon Galileo Galilei hatte Neptun am 28. Dezember 1612 und nochmals am 27. Januar 1613 gesehen. Aus seinen Aufzeichnungen vom Januar 1613 geht eine Beobachtung der Konjunktion mit dem Jupiter hervor, bei der Galilei den Neptun jedoch für einen Jupitermond oder einen Fixstern gehalten hatte. Zum Zeitpunkt seiner ersten Beobachtung im Dezember 1612 war der Planet stationär, da er gerade an diesem Tag begann, sich rückwärts zu bewegen. Dies war der Beginn des jährlichen Zyklus’ der retrograden Bewegung. Die Bewegung Neptuns war viel zu gering, um sie mit Galileos kleinen Teleskop feststellen zu können.[42] Hätte er Neptun nur wenige Tage früher beobachtet, wäre seine Bewegung am Himmel viel deutlicher gewesen.

1821 veröffentlichte Alexis Bouvard astronomische Tabellen über die Bahn des Uranus.[43] Nachfolgende Beobachtungen enthüllten erhebliche Diskrepanzen mit den berechneten Werten. Die Bewegung des Uranus um die Sonne zeigte Störungen und entsprach nicht den keplerschen Gesetzen. Astronomen wie Bouvard vermuteten daher, dass es einen weiteren Planeten jenseits des Uranus geben müsse, der durch seine Gravitationskraft die Bewegung des Uranus' stören würde. 1843 berechnete John Adams die Umlaufbahn dieses hypothetischen achten Planeten und sandte seine Berechnungen zu Sir George Airy, dem damaligen „Astronomer Royal“. Er bat Adams um nähere Erklärung. Adams begann ein Antwortschreiben, das er jedoch niemals abschickte.

Unabhängig davon errechnete 1846 der französische Mathematiker Urbain Le Verrier die Position, an der sich der unbekannte Planet befinden müsste, wobei die Berechnung von Le Verrier wesentlich genauer als die von Adams war. Aber auch diese Arbeit rief kein größeres Interesse hervor. John Herschel setzte sich noch in diesem Jahr für den mathematischen Ansatz ein und überredete James Challis, den Planeten zu aufzuspüren.

Datei:Gottfried-Galle.jpg
Johann Gottfried Galle.

Im Juli 1846 begann Challis nach einem längeren Aufschub widerwillig mit der Suche. Die Berechnung von Adams diente Challis aus Cambridge als Vorlage für seine Beobachtungen am 4. und 12. August 1846. Challis realisierte erst später, dass er den Planeten zweimal beobachtete. Die Identifizierung scheiterte wegen seiner saloppen Einstellung zu dieser Arbeit. Weil Challis die Beobachtungen der verschiedenen Abende noch nicht miteinander verglichen hatte, erkannte er Neptun, obwohl der seine Position am Himmel veränderte, unter den zahlreichen Sternen noch nicht als Planeten. In der Zwischenzeit hatte Le Verrier Johann Galle überzeugt, nach dem Planeten zu suchen. Galle und Heinrich d’Arrest hatten dazu den Auftrag und die Berechnungen Le Verriers erhalten. Obwohl d’Arrest noch ein Student an der Berliner Sternwarte war, schlug d’Arrest vor, dass eine kurze Zeit vorher gezeichnete Himmelskarte im Bereich von Le Verriers vorhergesagter Position mit dem aktuellem Himmel verglichen werden könnte, um eine verschobene Charakteristik eines Planeten gegenüber eines Fixsterns zu suchen. Neptun wurde von Galle am 23. September 1846 innerhalb 1° der Position, die Le Verrier vorhergesagt hat, und 10° von Adams’ prognostiziertem Ort entfernt, am Berliner Observatorium entdeckt. Damit war Neptun der erste Planet, der nicht in erster Linie durch regelmäßige Beobachtung, sondern durch mathematische Vorhersagen entdeckt wurde.

Nachdem die Hintergründe über die Entdeckung bekannt wurden, gab es eine breite Zustimmung darüber, dass beide, Le Verrier und Adams gemeinsam mit Galle die Ehre der Entdeckung verdienten. Jedoch wurde diese Angelegenheit mit der Wiederentdeckung 1998 der „Neptune papers“ (historische Dokumente vom „Royal Greenwich Observatory“) wieder neu aufgerollt. Diese wurden anscheinend vom Astronomen Olin Eggen für fast drei Jahrzehnte unterschlagen und wurden nur direkt nach seinem Tode (sie waren in seinem Besitz) wieder entdeckt.[44] Nach der Überprüfung der Dokumente schlagen nun einige Historiker vor, dass Adams weniger die Ehre gebührt als Le Verrier.[45]

Benennung

Kurz nach seiner Entdeckung wurde Neptun einfach als „der Planet außerhalb von Uranus“ oder „Le Verriers Planet“ genannt. Der erste Vorschlag eines Namens kam von Galle. Er schlug den Namen „Janus“ vor. In England warb Challis für „Oceanus“. In Frankreich machte François Arago den Vorschlag, den neuen Planeten „LeVerrier“ zu nennen. Dieser Vorschlag wurde außerhalb Frankreichs vehement abgelehnt. Französische Jahrbücher führten sofort wieder den Namen „Herschel“ für Uranus und „Leverrier“ für den neuen Planeten ein.

In der Zwischenzeit schlug Adams unabhängig davon vor, den Namen von Georgian auf Uranus zu ändern, während Le Verrier (durch das Längenproblem) den Namen „Neptun“ für den neuen Planeten vorschlug. Friedrich Struve unterstützte den Namen am 29. Dezember 1846 gegenüber der Sankt Petersburg Akademie der Wissenschaften.[46] Bald wurde „Neptun“ die international akzeptierte Bezeichnung. In der römischen Mythologie war Neptun der Gott des Meeres, der seine Entsprechung im griechischen Gott Poseidon hatte. Der Name stand in Übereinstimmung mit den mythologischen Namen der anderen Planeten, von denen alle bis auf Uranus in der Antike benannt wurden.

Der Name des Planeten ist in ostasiatische Sprachen (Chinesisch, Japanisch, Koreanisch, Vietnamesisch) wörtlich mit Meerkönig-Stern übersetzt worden.[47]

In Indien wurde der Planet Varuna (Devanāgarī: वरुण), nach dem Gott des Meeres in der historischen vedischen/hinduistischen Mythologie, genannt. Dieser Gott entspricht Poseidon in der griechischen und Neptun in der römischen Mythologie.

Erforschung

Neptun, 2 Stunden vor Voyager 2s größter Annäherung an Neptun aufgenommen, zeigt vertikales Relief und helle Wolkenstreifen. Die Wolken sind 48 bis 160 km breit und Tausende Kilometer lang.

Voyager 2 war die erste und bislang einzige Raumsonde, die Neptun besucht hat. Sie flog über den Nordpol von Neptun und passierte den Planeten am 25. August 1989 in nur 4950 Kilometer Abstand. Seit die Sonde die Erde verlassen hatte, war dies die größte Annäherung an ein Objekt. Da dies der letzte große Planet war, den Voyager 2 besuchen konnte, wurde ohne Rücksicht auf die Folgen ihrer Flugbahn beschlossen, dass eine nahe Schwerkraftumlenkung (Fly-by) zum Mond Triton erfolgen sollte. Bei der Begegnung von Voyager 1 mit Saturn und seinem Mond Titan wurde dies ebenfalls so durchgeführt.

Voyager 2 untersuchte die Atmosphäre, Ringe, Magnetosphäre und die Monde Neptuns. Die Sonde entdeckte den „Great Dark Spot“, den mandelförmigen „Small Dark Spot“ (D2) und eine helle, sich hoch über der Wolkendecke schnell bewegende Wolke, die „Scooter“ genannt wurde.

Wegen des großen Abstandes erscheint die Sonne über 1000-mal schwächer als auf der Erde, wobei sie mit einer Helligkeit von −21m immer noch sehr hell strahlt. Deshalb stellte man erstaunt fest, dass auf Neptun die stärksten Winde aller Gasriesen wehten.

Durch die Sonde wurden vier Ringe gefunden und die Ringbögen nachgewiesen. Mit Hilfe ihres „Planetary Radio Astronomy Instruments“ konnte ein Neptuntag auf 16 Stunden und 7 Minuten bestimmt werden. Es wurden Polarlichter (Auroras) entdeckt, die ähnlich der irdischen, jedoch viel komplexer als sie waren.

Voyager 2 entdeckte sechs Monde. Drei Monde wurden im Detail fotografiert: Proteus, Nereid, und Triton. Obwohl Nereid schon 1949 entdeckt wurde, war noch sehr wenig über den Mond bekannt. Die Sonde näherte sich Triton bis auf 40.000 km. Der Trabant war das letzte Missionsziel von Voyager 2. Triton enthüllte bemerkenswert aktive Geysire und man entdeckte Polarkappen. Eine sehr schwache Atmosphäre mit dünnen Wolken wurden auf dem Trabanten festgestellt.

Die Bilder, die von Voyager 2 zur Erde zurückgesendet wurden, wurden die Basis eines PBS (Public Broadcasting Service) Nachtprogramms, das sich „Neptune All Night“ nannte.[48]

Mögliche zukünftige Missionen

→ Hauptartikel: Neptune Orbiter

Neptun ist ein Gasriese ohne feste Oberfläche. Daher ist eine Mission an der Oberfläche des Planeten mit einer Landeeinheit oder eines Rovers nicht möglich.

Zur Zeit (2006) wird bei der NASA vom „California Institute of Technology“ (Caltech) über eine Neptun Orbiter Raumsonde nachgedacht, die möglicherweise über einen Kernreaktor als Energiequelle verfügen soll. Der Hauptteil der Mission wäre ein Orbiter, welcher den Planeten aus einer Umlaufbahn heraus umfassend untersuchen würde. Die Sonde könnte außerdem eine oder mehrere Atmosphärenkapseln auf Neptun abwerfen, sowie einen oder mehrere Mini-Lander auf Triton absetzen. Bevorzugte Landeplätze wären der Nord- und Südpol, wo große Mengen von Wassereis entdeckt wurden. Der Beschluss über die Realisierung von „Neptun Orbiter“ steht noch aus und ist aufgrund der Missionskosten in Höhe von mehreren Milliarden US-Dollar sowie der Konkurrenz zu Zielen, die als wissenschaftlich interessanter eingeschätzt werden (Europa, Titan), kaum in den nächsten Jahren zu erwarten.

Eine alternativer Vorschlag kommt von Andrew Ingersoll, einem Studienleiter und planetarischen Wissenschaftler von CalTech. Ingersoll und seine Mitarbeiter stellen sich eine Mission ähnlich Cassinis vor, die für seine Reise zu Neptun und seinem Mond eine Rakete mit konventionellem Antrieb und die Schwerkraft nutzt (Stand Dezember 2004).[49]

Quellen

  1. ↑ a b c NASA Neptune Fact Sheet
  2. ↑ Trio of Neptunes, Astrobiology Magazine, May 21, 2006. Abgerufen am 6. August 2007 
  3. ↑ Neptun tabellarische Übersicht.
  4. ↑ Beebe R.: The clouds and winds of Neptune. In: Planetary Report. 12. Jahrgang, 1992, S. 18–21 (harvard.edu).
  5. ↑ Vorlage:Cite paper
  6. ↑ McHugh, J. P., Computation of Gravity Waves near the Tropopause, AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts, p. 53.07, September, 1999
  7. ↑ McHugh, J. P. and Friedson, A. J., Neptune’s Energy Crisis: Gravity Wave Heating of the Stratosphere of Neptune, Bulletin of the American Astronomical Society, p. 1078, September, 1996
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Literatur

  • William Sheehan, Nicholas Kollerstrom, Craig B. Waff: Die Neptun-Affäre. Spektrum der Wissenschaft, April 2005, S. 82–88 (2005), ISSN 0170-2971
  • P. Moore, G. Hunt et al.: Atlas des Sonnensystems. Royal Astronomical Society und Herder-Verlag, 465p., Freiburg – Basel – Wien 1986.

Weblinks

Commons: Neptun – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wikibooks: Neptun – Lern- und Lehrmaterialien

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