Der 1846 vom Mitarbeiter der Berliner Sternwarte entdeckte Neptun ist der achte und äußerste Planet unseres Sonnensystems. Er ist ein gefrorener Gasplanet und birgt viele faszinierende Charakteristika.
Zum Beispiel kreuzen sich seine Umlaufbahn und die des Pluto und hängen voneinander ab. Jedoch ist der Pluto nie in der Nähe, wenn Neptun seine Umlaufbahn berührt. Noch erstaunlicher ist, dass die Entfernung des weiter von der Sonne entfernten und im sogenannten Kuipergürtel beheimateten Pluto manchmal geringer ist als die Neptuns zu ihr.
Himmelsbeobachtungen mit bloßem Auge und Teleskop
Der äußerlich blau erscheinende Neptun hat den vierfachen Durchmesser wie die Erde. Als achter Planet unseres Sonnensystems ist er jedoch 4.300 bis 4.700 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Damit empfängt er nur wenig Sonnenlicht. Hinzu kommt, dass er davon wiederum nur rund dreißig Prozent widerspiegelt (Albedo).
Der Neptun besitzt eine scheinbare (das heißt: vom Menschen von der Erde aus wahrgenommene) Helligkeit von 7,7 mag. Bei einer Magnitude von 6,5 mag oder niedriger wäre er ohne Hilfsmittel sichtbar.
Neptuns scheinbarer Durchmesser liegt bei circa zweieinhalb Bogensekunden. Eine Bogensekunde ist der Winkel, mit dem ein Mensch aus einem Kilometer Distanz einen einen halben Zentimeter dicken Gegenstand wahrnimmt. Dem menschlichen Auge gelingt diese Auflösung nicht.
Mit einem präzisen Fernrohr jedoch kann man den Neptun auffinden. Über mehrere Jahre steht er im selben Sternbild, zum Beispiel 2018 im Wassermann. Das galt nicht für den 4. März 2018. Da war der Neptun unsichtbar, das heißt: in Konjunktion. Er befand sich, von der Erde aus gesehen, hinter der Sonne.
Teleskope auf der Erde, mit einer Optik, die Wellenbewegungen in der Luft ausgleicht (die sogenannte adaptive Optik), ermöglichen seit den 1990er Jahren eine vertiefte Erforschung des Neptuns. Nochmals einen immensen Datenzuwachs, ohne Einflüsse der Erdatmosphäre, macht das mit dem Space Shuttle Discovery ins All verbrachte Hubble-Weltraumteleskop aus. Dessen von den US-amerikanischen und europäischen Weltraumbehörden Nasa und Esa initiierte Mission startete am 24. April 1990.
Ein langer Weg hin zur Entdeckung von Neptun
Neptun war bereits dem italienischen Sternforscher und Mathematiker Galileo Galilei 1612 und 1613 aufgefallen. Als eine Sonne oder einen Mond des Jupiters hatte er ihn eingeordnet.
Im 19. Jahrhundert schließlich führten mathematische Vorberechnungen verschiedener Wissenschaftler, teilweise unabhängig voneinander, fast zur Entdeckung Neptuns:
- 1821: Alexis Bouvard stand der Pariser Sternwarte vor. Acht Kometen hatte er entdeckt. Für Jupiter, Saturn und Uranus hatte er die Bahnen berechnet. Die Differenz zwischen der von ihm observierten und ermittelten Uranusbahn, vermutete er, gehe auf das Vorhandensein eines unbekannten Planeten zurück. Die Anziehungskräfte von Neptun und Pluto, so kam später heraus, waren die Gründe.
- 1843: John Adams, ein britischer Mathematiker, knüpfte an die Hypothese an, indem er die Planetenbahn dieses Mysteriums kalkulierte.
- 1846: Urbain Le Verrier, ein französischer Mathematiker, stellte präzisiere Neptun-Berechnungen an. Von denen Adams‘ hatte er keine Kenntnis.
James Challis, britischer Professor für Astronomie und Experimentelle Philosophie, war Direktor des Cambridge Observatory. Methodisch suchte er im selben Jahr nach dem unbekannten Planeten auf der Grundlage von Adams‘ Berechnungen. Am 4. und 12. August fand er einen Planeten auf der Suchstrecke. Allerdings konnte er die Beobachtung nicht dem gesuchten Planeten zuordnen.
Parallel liefen an der Berliner Sternwarte (Königliche Sternwarte zu Berlin) Bestrebungen zur Auffindung von Pluto. Die Initiative ging von Le Verrier aus. Sie fruchtete durch die Beobachtungen des Observators, Johann Gottfried Galle, und seines Mitarbeiters, Heinrich D`Arrest, am 24. September 1846. Die Idee D`Arrests, die Beobachtungen am Himmel mit den Berliner Akademischen Sternenkarten (Carl Bremiker, 1846: „Hora XXI“, im Druck) zu vergleichen, ließ die Entdeckung möglich werden. Zielobjekt war eine auf die Größe von zweieinhalb Bogensekunden angesetzte, sehr kleine Scheibe. Heute gelten Le Verrier, Adams und Galle als Neptuns Entdecker.
Die Bezeichnung ‚Neptun‘ geht auf den Vorschlag eines seiner Entdecker, Le Verriers, und dessen Verfechters, Friedrich Struve, am 29. Dezember 1846 vor der Russischen Akademie der Wissenschaften zurück.
Die folgerichtige Entscheidung, auch für den achten Planeten einen Namen aus der Mythologie zu wählen, fiel auf den römischen Gott des Meeres.
Neptuns Erforschung durch Voyager 2
Die Nasa schoss am 20. August 1977 die Raumsonde vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral aus in den Orbit. Zwölf Jahre später observierte sie den Neptun und schickte klare Fotos mit einer hohen Auflösung zur Erde, wie sie bisher von der Erde aus nicht gefertigt werden konnten. Wolken- und Magnetfeld-Untersuchungen standen ebenfalls auf der Forschungsagenda.
Die Voyager 2 ist die einzige von den von der Erde gestarteten und von den 55 US-amerikanischen Missionen, die Neptun aus der Nähe heraus betrachtete. Ihre minimale Entfernung betrug 4.950 Kilometer.
Neu war auch die Entdeckung vier schmaler Ringe sowie von Ringbögen. Sechs neue der heute 14 bekannten Neptunmonde ermittelte sie: Naiad, Thalassa, Despina, Galatea und Larissa sowie Proteus. Diese neu entdeckten natürlichen Satelliten bewegen sich prograde, das heißt: in der gleichen Rotationsrichtung wie ihr Zentralkörper, der Neptun. Diese Rechtläufigkeit genannte Erscheinung tritt bei neun von Neptuns Trabanten auf. Detailfotos fertigte Voyager 2 von Nereid, Proteus und Triton an.
Die Voyager 2 ist eine von zwei Raumflugkörpern, die die Nasa zur Erforschung unseres Sonnensystems einsetzt. Auf vier Jahre hatte sie die Reisezeiten von Voyager 1 und 2 ursprünglich nur angesetzt.
Im interstellaren Raum, außerhalb der Neptunbahn, setzen Voyager 1 und 2 (wie auch Pioneer 1 und 2 von der Nasa), ihren Weg fort. Dabei bewegen sie sich noch in unserem Sonnensystem. Immer weniger sind sie den Sonnenwinden ausgesetzt. Zur weit entfernten Oort’schen Wolke, einer Gruppe langperiodischer Kometen und anderer, sehr kleiner Trabanten, noch hinter dem Kuipergürtel, sind sie unterwegs. ‚Langperiodisch‘ meint dabei eine Periodendauer zwischen 200 Jahren und Jahrtausenden, nach der, zum Beispiel, ein Komet theoretisch wieder von der Erde aus sichtbar ist.
Diese unvorstellbare Weiten umfassende Sphäre endet erst in 100.000 AE oder 1,6 Lichtjahren.
Bis zum sonnennächsten Exoplaneten Proxima b, bei seiner Sonne Proxima Centauri, sind es da nur noch 2,6 Lichtjahre.
Zur Entstehung von Neptun
Neptun besaß nur wenig Zeit zu seiner Bildung. Schnell musste er eine kritische Masse überschreiten. Er sammelte flüchtige Gase, die die entstandene Sonne dabei war, aus ihrem System zu stoßen. Saturn und Jupiter entstanden schneller und wurden so weitaus größer als Neptun. Jupiter brachte es auf einen dreifachen und Saturn auf einen zweieinhalbfachen Äquator-Durchmesser.
Die Sonne ist heute viereinhalb Milliarden Kilometer entfernt. Damit taucht ein Widerspruch auf: Der sogenannte solare Urnebel hatte, nach Meinung einiger Forscher, in dieser großen Distanz nicht genug Konsistenz zur Bildung von Neptun.
Weitere Entstehungsfaktoren mussten vorgelegen haben. So besteht die Hypothese von Francis Nimmo (University of California, Santa Cruz) darin, dass Neptun in größerer Dichte dieses Urnebels entstand. Nur in größerer Nähe zur Sonne war dieses möglich. Später vollzog Neptun die Bewegung hin zu seiner äußeren heutigen Bahn in unserem Sonnensystem.
Die Eigenschaften von Neptun und seiner Umlaufbahn
Der Neptun besitzt einen mittleren Durchmesser von 49.244 Kilometern. Das ist etwa der vierfache Erddurchmesser. Die Polklappen sind abgeflacht. Auf 48.682 Kilometer bemisst sich deshalb sein Durchmesser an den Polen, bei 49.528 Kilometern am Äquator. Sein Volumen ist 58-mal so groß wie das der Erde und seine Masse entspricht ihrem 17-fachen Wert (1,0243 · 10 [hoch] 26 Kilogramm).
Im Vergleich zum größeren Uranus ist seine Masse größer. Jupiters Masse wiederum ist mehr als 18-mal größer als die von Neptun.
Unter den Gasplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) kommt letzterer auf die höchste Dichte (1,638 Gramm pro Kubikzentimeter). Seine Fallbeschleunigung am Äquator bei Nullniveau ist die zweithöchste unter den Planeten unseres Sonnensystems (11,15 Meter pro Sekunde zum Quadrat).
Das Neptunjahr könnte ein Mensch, wäre der Planet bewohnbar, nie ganz erleben: Der Neptun braucht für die Umrundung der Sonne 165 Erdenjahre. Zwischen 29,709 (dem Perihel) und 30,385 (dem Aphel) Astronomischen Einheiten (AE) von unserer Sonne entfernt, läuft er auf seiner Bahn. Eine AE ist knapp 150 Milliarden (149.597.870.700) Kilometer lang. Diese astronomische Längenmaßeinheit entspricht der durchschnittlichen Entfernung der Erde von der Sonne.
Dabei bewegt er sich fast kreisförmig: Der zu Null nur eine relativ geringe Abweichung besitzende Wert von 0,0113 beschreibt die sogenannte Exzentrizität.
1,769 Grad beträgt die seitliche Neigung der Orbitalebene gegenüber der Bahnebene unseres Heimatplaneten, die man Ekliptikebene oder Ekliptik nennt. Diese Bahnneigung (Inklination) ist eine der sogenannten Bahnelemente nach den Gesetzen des im 16. bis 17. Jahrhundert lebenden Astronomen Johannes Kepler. Mit sechsen davon und mehr (zum Beispiel Nr. 6, der Umlaufzeit) stellt ein Wissenschaftler oder Observator den Weg eines Himmelskörpers wie den des Neptuns dar.
Wie alle anderen Planeten und Zwergplaneten fliegt er auf einer rechtläufigen Bahn um die Sonne. Außerdem rotiert er prograd um sich.
Die Zusammensetzung und Oberfläche von Neptun
Das Besondere am Neptun sind seine fließenden Übergänge zwischen den Schichten. So lässt sich zum Beispiel keine feste Grenze zwischen der Atmosphäre und der oberen Schicht des Mantels feststellen.
Neptuns Elemente und Stoffverbindungen teilen sich wie folgt auf die Schichten des Planeten auf. Die genaue Aufstellung ist hypothetisch. Die Auffassungen sind inhomogen. Deshalb spiegeln folgende Daten eine grobe Richtung wider:
Für das Neptun-Innere nehmen Astrophysiker einen Kern aus Eisen an, vergleichbar mit der Größe des Erdglobus. Hier herrschen extreme Drücke und Temperaturen.
Der dicke Mantel darum hat die 10- bis 15-fache Masse der Erde. Er besteht aus Fels, Wasser, Methan und Ammoniak. Das Wasser und Ammoniak daraus bildeten Ammoniaksemihydrat, lautet eine vom britischen Engineering and Physical Sciences Research Council befürwortete These.
Mit zunehmender Tiefe nehmen Temperatur und Druck zu. Das wirkt sich auf die Elemente aus: Die Gase werden flüssig.
Eine sehr druckvolle Aufspaltung der im Mantel enthaltenen Kohlenwasserstoffe (Methan) in Diamanten ist der Kern einer anderen Hypothese. Dabei werden in 10.000 Kilometern Tiefe zunächst Kohlen- und Wasserstoff produziert. Der Kohlenstoff konvertiert in Diamanten und bewegt sich über Jahrtausende hin zum Kern. Die Vermutung von solch einer Auftrennung basiert auf Simulationen mit einem der bedeutendsten Röntgenlaser, der Linac Coherent Light Source. Leiter war der Physiker Dr. Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Oberhalb des Mantels und unterhalb der Lufthülle verläuft eine obere Planetenschicht. Ihre Masse entspricht der ein- oder zweifachen Masse der Erde.
Die sich anschließende Atmosphäre strahlt blaues Licht ab. Grund ist das darin enthaltene Methan, das für eine Absorption des roten Farbanteils im Licht sorgt. 99 Prozent der oberen Atmosphäre bestehen aus Wasserstoff und einem Edelgas. Im Einzelnen sind das vier Fünftel Wasserstoff (± 3,2 Prozent) und 19 Prozent Helium (± 3,2 Prozent). Der Gehalt an Methan-Gas beläuft sich auf 1,5 (± 0,5 Prozent). Außerdem existieren deuterierter (schwerer) Wasserstoff, mit einem Gehalt von circa 0,019 Prozent und Ethan-Gas, in einem Anteil von etwa 0,00015 Prozent.
Die Atmosphäre, Wetter und Magnetosphäre
Grundsätzlich besitzt Neptun eine dichtere Atmosphäre im Vergleich zur Erde. Ihre fehlende Abgrenzung gegenüber der Planetenoberfläche resultiert aus folgenden Bedingungen: Die Zone, in der Gase mit größerer Tiefe flüssig werden können, befindet sich oberhalb der dafür kritischen Temperaturen.
Neptun ist ein Eisriese. Damit gehört er zur Untergruppe der Gasriesen. Seine Temperaturen auf dem Südpol sind um zehn Grad erhöht gegenüber der übrigen Oberfläche mit durchschnittlich -200 Grad Celsius. Seine Wolken können eine Länge von Tausenden Kilometern umfassen. 50 bis 160 Kilometer breit sind sie. Diese Erkenntnis resultiert aus Wolkenbeobachtungen von Voyager 2.
Neptuns Stürme können zehnmal stärker auftreten als auf der Erde. Während sie sich im Uhrzeigersinn (antizyklonisch) um sich drehen, führen sie Stoffe aus der unteren Atmosphäre in höhere Schichten. Der enthaltene Schwefelwasserstoff ruft das dunkel hervorstechende Aussehen der Winde auf den Aufnahmen der Sonde hervor. Bei der Erstbeobachtung des Sturmes SDS-2015 im September 2015 zum Beispiel, verfügte dieser über einen Farbton mit einer sieben Prozent dunkleren Abstufung gegenüber der angrenzenden Oberfläche. Die Hervorhebung minimierte sich im Laufe von zwei Jahren um vier Prozent. Der Fokus seiner Bewegung lag dabei am Südpol. Wahrscheinlich existiert er nicht mehr.
Die gekippte Achse des Neptuns zieht eine unterschiedlich starke Sonneneinstrahlung nach sich. Die Jahreszeitendauer beträgt 40 Jahre.
Die Magnetosphäre Neptuns zeichnet die Existenz von zwei Nord- und zwei Südpolen aus. Das Quadrupolfeld bezeichnete Phänomen resultiert aus dem Vorhandensein lediglich schmal geschichteter Metalle. Seine starke Neigung zur Rotationsachse beläuft sich auf 47 Grad.
Die Neptun-Ringe und der Mond Triton
Neptuns diverse Ringe sind fein und blau. Darüber hinaus besitzt der achte Planet Ringbögen innerhalb des außen beheimateten Adams-Ringes. Der dunkle Ton von Neptuns Ringen weist auf einen starken Gehalt an sehr feinem Staub hin. Forscher führen diesen auf Meteoriteneinschläge auf den Neptun-Monden zurück.
Der wie Neptun 1846 entdeckte Triton ist sein größter Trabant und bewegt sich rückläufig (retrograd) zu ihm. Man weiß seit der Mission von Voyager 2, dass er Polkappen besitzt und Geysire. Seine Impakt-Krater (Einschlagkrater) wechseln sich mit Ebenen vulkanischen Ursprungs, mit Hügeln und runden, durch Lava verursachten Vertiefungen ab. Erstaunlich ist auch, dass er eine, wenn auch dünne, Atmosphäre besitzt. Deren Existenz sorgte wegen der großen Distanz zur Sonne für eine Überraschung.
Mit -235 Grad Celsius liegt die Oberflächentemperatur des Tritons nur 40 Grad vom absoluten Nullpunkt entfernt (-273,2 Grad Celsius = 0 Grad Kelvin). Übertroffen wird er ganz knapp vom Boomerang Nebel mit seinen maximal -272,15 Grad Celsius. Das ist der tiefste natürliche Kältepunkt im Weltall.
Neptuns Einfluss auf den Kuipergürtel
Bis 2006 war Pluto, der von der Sonne aus gesehen hinter dem Neptun seine Umlaufbahn ziehende Zwergplanet, als neunter Planet unseres Sonnensystems definiert.
Die Internationale Astronomische Union (IAU) änderte das indirekt: Sie formulierte die Kriterien für die Kategorie der Planeten um. Danach ist der Pluto zwar ein astronomisches Objekt, das selbst keine Sonne ist und eine solche umläuft (Kriterium 1). Zudem besitzt er, durch seine Schwerkraft, einen äußeren Körper ähnlich dem einer Kugel (Kriterium 2, sogenannte hydrostatische Gleichgewichtsform). Nicht erfüllen tut er Kriterium 3: Er hat nicht seine Umlaufbahn von weiteren Himmelskörpern beräumt.
Damit ist nach dem Neptun, mit dem Blick ins weitere All, erst einmal Schluss. Fast – denn der Kuipergürtel folgt: in der großen Entfernung von 150 AE zur Sonne. Der Kleinplanet Pluto – so heißt er heute – gehört nun zu dieser Zone. Seine geringe Größe von 2.374 Kilometern Durchmesser ist vergleichbar mit der von Eris (2.326 ± 12 Kilometer) in dem nach dem holländischen Himmelsforscher Jan Hendrik Oort Kuiper benannten äußeren Bereich unseres Sonnensystems, noch vor der zirkumsolaren sogenannten Oort`schen Wolke.
Der Neptun besitzt eine anderthalb Mal größere Umlaufzeit als seine Transneptune. Neben dem Pluto gehören zu dieser Gruppe über 1.000 Plutinos. Das sind kleine astronomische Objekte aus Eis mit ähnlichen Bahnelementen wie denen des Pluto.
So wiederholt sich alle 248 Jahre für 20 Jahre (zum Beispiel 1979 bis 1999) das folgende Phänomen: Der ehemals neunte Planet kommt auf seiner elliptischen Bahn seinem Zentralgestirn näher als der achte Planet. Theoretisch kreuzen sich die Bahnen von Neptun und Pluto. Praktisch sind sie durch Neptun synchronisiert: Der Eisriese schafft im gleichen Zeitabschnitt wie Pluto drei statt zwei Umkreisungen der Sonne. Diese unterschiedliche 3:2 Bahnresonanz und Neigungen ihrer Wege (Neptun: 17,1, Pluto: 1,769 Grad) verhindern eine Kollision.
Die Gravitation des Neptuns wirkt sich bis zu circa 116 Millionen Kilometern weit aus.
Ist der Neptun bewohnbar?
Ohne Schutzanzüge und Schutzräume oder Gebäude ist er das auf keinen Fall. Seine Kälte von -200 Grad Celsius verhindert dieses.
Die teilweise extrem hohen Windgeschwindigkeiten von bis zu 2.000 Stundenkilometern machen jedoch auch die Idee vom Leben mit Schutzmaßnahmen zunichte.
Die Nasa hat eine noch stärkere Eingrenzung zu dem Thema getroffen: Keinerlei Organismen fänden eine Heimat auf dem Neptun. Seinen Druck und die chemische Struktur führten sie als weitere Gründe an.