Непту́н — восьмая и самая дальняя от Солнца планета Солнечной системы. Его масса превышает массу Земли в 17,2 раза и является третьей среди планет Солнечной системы, а по экваториальному диаметру Нептун занимает четвёртое место, превосходя Землю в 3,9 раза. Планета названа в честь Нептуна — римского бога морей.
Обнаружен 23 сентября 1846 года, став первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам. Обнаружение непредсказуемых изменений орбиты Урана породило гипотезу о неизвестной планете, гравитационным возмущающим влиянием которой они и обусловлены. Нептун был найден в пределах предсказанной орбиты. Вскоре был открыт его крупнейший спутник Тритон, а в 1949 году — Нереида. Нептун посещался лишь одним космическим аппаратом, «Вояджером-2», который пролетел вблизи планеты 24—25 августа 1989 года. С его помощью были открыты кольца Нептуна и шесть его спутников. Остальные известные спутники Нептуна открыты в XXI веке.
Нептун по составу близок к Урану, и обе планеты отличаются от более крупных планет-гигантов — Юпитера и Сатурна. Иногда Уран и Нептун помещают в отдельную категорию «ледяных гигантов». Атмосфера Нептуна, подобно атмосфере Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия, наряду со следами углеводородов и, возможно, азота, однако содержит более высокую долю воды, аммиака и метана. Недра Нептуна и Урана состоят главным образом изо «льдов» и камня. Следы метана во внешних слоях атмосферы являются причиной синего цвета планеты.
В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы; по разным оценкам, их скорости могут достигать 600 м/с. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к . В центре Нептуна температура составляет, по различным оценкам, от 5000 K до 7000—7100 °C, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца и сравнимо с внутренней температурой большинства известных планет. У Нептуна есть слабая и фрагментированная система колец, возможно, обнаруженная ещё в 1960-е годы, но достоверно подтверждённая «Вояджером-2» лишь в 1989 году.
12 июля 2011 года исполнился ровно один нептунианский год — или 164,79 земного года — с момента открытия Нептуна.
Физические и орбитальные характеристики
Масса Нептуна () находится между массой Земли и массой больших газовых гигантов. Экваториальный радиус Нептуна равен , что почти в 4 раза больше земного. Нептун и Уран часто считаются подклассом газовых гигантов, который называют «ледяными гигантами» из-за их меньшего размера и иного состава (меньшей концентрации летучих газов). При поиске экзопланет Нептун используется как метоним: обнаруженные экзопланеты со схожей массой часто называют «нептунами», также часто астрономы используют как метоним «юпитеры».
Орбита и вращение
Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем — 4,55 млрд км (30,1 а.е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 года. 12 июля 2011 года Нептун завершил свой первый с момента открытия планеты в 1846 году полный оборот. С Земли он был виден иначе, чем в день открытия, в результате того, что период обращения Земли вокруг Солнца (365,25 дня) не является кратным периоду обращения Нептуна. Эллиптическая орбита планеты наклонена на 1,77° относительно орбиты Земли. Эксцентриситет орбиты равен 0,011, поэтому расстояние между Нептуном и Солнцем изменяется на 101 млн км. Осевой наклон Нептуна — 28,32°, что похоже на наклон оси Земли и Марса. В результате этого планета испытывает схожие сезонные изменения. Однако из-за длинного орбитального периода Нептуна времена года длятся около сорока земных лет каждый.
Период вращения Нептуна вокруг своей оси составляет около 16 часов. У Нептуна сильнее всех планет Солнечной системы выражено дифференциальное вращение. Период обращения экваториальных слоёв атмосферы составляет около 18 часов, а у полюсов — 12 часов. Это приводит к сильному широтному сдвигу ветров. Магнитное поле планеты делает оборот за 16 часов.
Орбитальные резонансы
Нептун оказывает большое влияние на весьма отдалённый от него пояс Койпера. Пояс Койпера — кольцо из ледяных малых планет, подобное поясу астероидов между Марсом и Юпитером, но намного протяжённее. Он располагается в пределах от орбиты Нептуна (30 а.е.) до 55 астрономических единиц от Солнца. Сила притяжения Нептуна оказывает наиболее существенное влияние на пояс Койпера, сравнимое по доле с влиянием силы притяжения Юпитера на пояс астероидов. За время существования Солнечной системы некоторые области пояса Койпера были дестабилизированы гравитацией Нептуна, и в структуре пояса образовались промежутки. В качестве примера можно привести область между 40 и 42 а.е.
Орбиты объектов, которые могут удерживаться в этом поясе в течение достаточно долгого времени, определяются т. н. вековыми резонансами с Нептуном. Для некоторых орбит это время сравнимо с временем всего существования Солнечной системы. Эти резонансы появляются, когда период обращения объекта вокруг Солнца соотносится с периодом обращения Нептуна как небольшие натуральные числа, например, 1:2 или 3:4. Если, к примеру, объект будет совершать оборот вокруг Солнца в два раза медленнее Нептуна, то он пройдёт ровно половину пути, тогда как Нептун вернётся в своё начальное положение. Наиболее плотно населённая часть пояса Койпера, включающая в себя более 200 известных объектов, находится в резонансе 2:3 с Нептуном. Эти объекты совершают один оборот каждые 1 оборота Нептуна и известны как «плутино», потому что среди них находится один из крупнейших объектов пояса Койпера — Плутон. Хотя орбиты Нептуна и Плутона подходят очень близко друг к другу, резонанс 2:3 не позволит им столкнуться. В других, менее «населённых», областях существуют резонансы 3:4, 3:5, 4:7 и 2:5.
В своих точках Лагранжа (L4 и L5) — зонах гравитационной стабильности — Нептун удерживает множество астероидов-троянцев. Троянцы Нептуна находятся с ним в резонансе 1:1. Троянцы очень устойчивы на своих орбитах, и поэтому гипотеза их захвата гравитационным полем Нептуна сомнительна. Скорее всего, они сформировались вместе с ним.
Внутреннее строение Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 5—10 % массы планеты и 10—20 % её радиуса. Давление атмосферы, вероятно, составляет около 10 ГПа.
Атмосфера Нептуна постепенно уплотняется в перегретую жидкую мантию, где температуры достигают 2000—5000 К. Мантия Нептуна массивнее земной, по разным оценкам, в 10—15 раз и состоит из метана, аммиака, воды и прочих соединений. Планетологи называют эту субстанцию льдом, хотя это горячая и очень плотная жидкость. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводимостью, иногда называют океаном водного аммиака. На глубине 7000 км условия таковы, что метан разлагается на алмазные кристаллы, которые «падают» на ядро. Согласно одной из гипотез, верхняя часть мантии планеты может быть океаном из жидкого углерода с плавающими твёрдыми алмазами.
Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов и, судя по моделям строения планеты, имеет массу около 1,2 . Давление в центре достигает 7 Мбар. Температура в центре, возможно, достигает 5400 К.
Магнитосфера И своей магнитосферой, и магнитным полем, сильно наклонённым на 47° относительно оси вращения планеты и распространяющимся на 0,55 от её радиуса (приблизительно ), Нептун напоминает Уран. До прибытия к Нептуну «Вояджера-2» учёные полагали, что наклонённая магнитосфера Урана — результат его «бокового вращения». Однако теперь, после сравнения магнитных полей этих двух планет, учёные полагают, что такая странная ориентация магнитосферы в пространстве может быть вызвана приливами во внутренних областях. Такое поле может появиться благодаря конвективным перемещениям жидкости в тонкой сферической прослойке электропроводных жидкостей этих двух планет (предполагаемая комбинация из аммиака, метана и воды)Elkins-Tanton (2006): 79—83., что приводит в действие гидромагнитное динамо.
Магнитное поле на экваториальной поверхности Нептуна оценивается в 1,42 μT при магнитном моменте 2,16 Tm³. Магнитное поле Нептуна имеет сложную геометрию с относительно большими небиполярными компонентами, включая сильный квадрупольный момент, который по мощности может превышать дипольный. В противоположность этому — у Земли, Юпитера и Сатурна относительно небольшой квадрупольный момент, и их поля менее отклонены от полярной оси.
Головная ударная волна Нептуна, где магнитосфера начинает замедлять солнечный ветер, проходит на расстоянии в 34,9 радиусов планеты. Магнитопауза, где давление магнитосферы уравновешивает солнечный ветер, находится на расстоянии в 23—26,5 радиусов Нептуна. Хвост магнитосферы тянется до расстояния в 72 радиуса Нептуна, а возможно и гораздо дальше.
Атмосфера и климат
Атмосфера
В верхних слоях атмосферы обнаружен водород и гелий с небольшим количеством метана. Заметные полосы поглощения метана встречаются на длинах волн выше 600 нм (в красной и инфракрасной части спектра). Как и в случае с Ураном, синий оттенок вызван в основном поглощением красного света метаном. Долгое время считалось, что цвет Нептуна более насыщенно-синий, чем у Урана. Так как содержание метана в атмосфере Нептуна не сильно отличается от такового в атмосфере Урана, предполагалось, что существует также некий, пока неизвестный, компонент атмосферы, способствующий появлению синей окраски. Однако опубликованное в январе 2024 года исследование показало, что на самом деле Нептун и Уран имеют схожий цвет атмосферы, а расхождение в цветах было вызвано иными динамическими диапазонами и дополнительной обработкой фотографий Нептуна с аппарата «Вояджер-2». Учёные из Оксфордского университета использовали спектрографические данные с телескопов «Хаббл» и VLT и сопоставили их с фотографиями «Вояджера-2», получив новые, более близкие к реальности, изображения. Как оказалось, в оригинальных фотографиях 1989 года были усилены цвета, чтобы показать облака и штормы планеты. Первоначально фотографии публиковались с соответствующей пометкой об этом, но впоследствии об этом забыли и тёмно-синий цвет Нептуна стал восприниматься как реальный.
Атмосфера Нептуна подразделяется на 2 основные области: более низкая тропосфера, где температура снижается вместе с высотой, и стратосфера, где температура с высотой, наоборот, увеличивается. Граница между ними, тропопауза, находится на уровне давления в 0,1 бар. Стратосфера сменяется термосферой на уровне давления ниже, чем 10−4 — 10−5 микробар. Термосфера постепенно переходит в экзосферу.
Модели тропосферы Нептуна позволяют полагать, что в зависимости от высоты, она состоит из облаков переменных составов. Облака верхнего уровня находятся в зоне давления ниже одного бара, где температура способствует конденсации метана. При давлении между одним и пятью барами формируются облака аммиака и сероводорода. При давлении более 5 бар облака могут состоять из аммиака, сульфида аммония, сероводорода и воды. Глубже, при давлении в приблизительно 50 бар, могут существовать облака из водяного льда, при температуре, равной 0 °C. Также, не исключено, что в данной зоне могут быть найдены облака из аммиака и сероводорода. Нептун — единственная планета-гигант, на которой видны тени от облаков, отбрасываемые на облачный слой ниже уровнем. Более высокие облака расположены на высоте 50—100 км над основным облачным слоем.
Изучение спектра Нептуна позволяет предполагать, что его более низкая стратосфера затуманена из-за конденсации продуктов ультрафиолетового фотолиза метана, таких как этан и ацетилен. В стратосфере также обнаружены следы циановодорода и угарного газа. Стратосфера Нептуна более тёплая, чем стратосфера Урана из-за более высокой концентрации углеводородов.