Планета Нептун имеет 16 известных лун , которые названы в честь второстепенных водных божеств и водного существа в греческой мифологии . [примечание 1] Самым крупным из них является Тритон , открытый Уильямом Ласселом 10 октября 1846 года, через 17 дней после открытия самого Нептуна. Прошло более столетия, прежде чем в 1949 году был открыт второй естественный спутник, Нереида , и еще 40 лет прошло, прежде чем в 1989 году был открыт Протей , второй по величине спутник Нептуна.
Тритон уникален среди лун планетарной массы тем, что его орбита ретроградна вращению Нептуна и наклонена относительно экватора Нептуна, что говорит о том, что он не сформировался на орбите вокруг Нептуна, а был вместо этого гравитационно захвачен им. Следующий по величине спутник в Солнечной системе, предположительно захваченный, луна Сатурна Феба , имеет всего 0,03% массы Тритона. Захват Тритона, вероятно, произошедший некоторое время после того, как Нептун сформировал спутниковую систему, был катастрофическим событием для первоначальных спутников Нептуна, нарушив их орбиты так, что они столкнулись, образовав обломочный диск. Тритон достаточно массивен, чтобы достичь гидростатического равновесия и сохранить тонкую атмосферу, способную образовывать облака и дымку.
Внутри Тритона находятся семь небольших регулярных спутников , все из которых имеют прямые орбиты в плоскостях, которые лежат близко к экваториальной плоскости Нептуна; некоторые из них вращаются среди колец Нептуна . Самый большой из них — Протей. Они были повторно аккрецированы из обломочного диска, образовавшегося после захвата Тритона после того, как орбита Тритона стала круговой. У Нептуна также есть восемь внешних нерегулярных спутников, отличных от Тритона, включая Нереиду, чьи орбиты находятся гораздо дальше от Нептуна и имеют большой наклон: три из них имеют прямые орбиты, в то время как остальные имеют ретроградные орбиты. В частности, Нереида имеет необычно близкую и эксцентричную орбиту для нерегулярного спутника, что позволяет предположить, что когда-то она могла быть обычным спутником, который был значительно возмущен до своего текущего положения, когда Тритон был захвачен. Самый удаленный спутник Нептуна S/2021 N 1 , период обращения которого составляет около 27 земных лет , находится дальше от своей планеты, чем любой другой известный спутник в Солнечной системе . [1] [2]
Тритон был открыт Уильямом Ласселом в 1846 году, всего через семнадцать дней после открытия Нептуна . [3] Нереида была открыта Джерардом П. Койпером в 1949 году . [4] Третья луна, позже названная Лариссой , была впервые обнаружена Гарольдом Дж. Рейтсемой, Уильямом Б. Хаббардом, Ларри А. Лебофски и Дэвидом Дж. Толеном 24 мая 1981 года. Астрономы наблюдали близкое приближение звезды к Нептуну, ища кольца, похожие на те, что были обнаружены вокруг Урана четырьмя годами ранее. [5] Если кольца присутствовали, светимость звезды немного уменьшилась бы непосредственно перед самым близким приближением планеты. Светимость звезды упала всего на несколько секунд, что означало, что это было связано с луной, а не с кольцом.
Никаких других лун не было обнаружено, пока Voyager 2 не пролетел мимо Нептуна в 1989 году. Voyager 2 заново открыл Лариссу и обнаружил пять внутренних лун: Наяду , Таласса , Деспина , Галатея и Протей . [6] В 2001 году два обзора с использованием больших наземных телескопов обнаружили пять дополнительных внешних нерегулярных лун, доведя общее количество до тринадцати. [7] Последующие обзоры, проведенные двумя командами в 2002 и 2003 годах соответственно, повторно наблюдали все пять этих лун, а именно Галимеду , Сао , Псамафу , Лаомедею и Несо . [7] [8] Обзор 2002 года также обнаружил шестую луну, но ее не удалось повторно наблюдать достаточное количество раз, чтобы определить ее орбиту, и поэтому она была потеряна . [7]
В 2013 году Марк Р. Шоуолтер обнаружил Гиппокамп , изучая изображения дуг колец Нептуна, полученные космическим телескопом Хаббл в 2009 году. Он использовал технику, похожую на панорамирование , чтобы компенсировать орбитальное движение и позволить накладывать несколько изображений для выявления слабых деталей. [9] [10] После того, как он внезапно решил расширить область поиска до радиусов, выходящих далеко за пределы колец, он нашел недвусмысленную точку, которая представляла собой новую луну. [11] Затем он неоднократно находил ее на других архивных изображениях HST, начиная с 2004 года. Voyager 2 , который наблюдал все другие внутренние спутники Нептуна, не обнаружил ее во время своего пролета в 1989 году из-за ее тусклости. [9]
В 2021 году Скотт С. Шеппард и его коллеги использовали телескоп Subaru в Мауна-Кеа, Гавайи , и открыли еще два нерегулярных спутника Нептуна, о которых было объявлено в 2024 году. [12] Эти два спутника предварительно обозначены как S/2021 N 1 и S/2002 N 5. Последний оказался восстановлением потерянного спутника 2002 года. [2] [13]
Открытие спутников внешних планет
У Тритона не было официального названия до двадцатого века. Название «Тритон» было предложено Камиллом Фламмарионом в его книге 1880 года Astronomie Populaire [14] , но оно не вошло в обиход по крайней мере до 1930-х годов. [15] До этого времени его обычно называли просто «спутником Нептуна». Другие луны Нептуна также названы в честь греческих и римских богов воды , в соответствии с положением Нептуна как бога моря: [16] либо из греческой мифологии , обычно дети Посейдона , греческого эквивалента Нептуна (Тритон, Протей, Деспина, Таласса); возлюбленные Посейдона (Ларисса); другие мифологические существа, связанные с Посейдоном (Гиппокампом); классы второстепенных греческих божеств воды ( Наяды , Нереиды ); или конкретные нереиды (Халимеда, Галатея, Несо, Сао, Лаомедея, Псамафе). [16] [17]
Для «нормальных» нерегулярных спутников общепринятым является использование названий, заканчивающихся на «a» для прямых спутников, названий, заканчивающихся на «e» для ретроградных спутников, и названий, заканчивающихся на «o» для исключительно наклонных спутников, точно так же, как это принято для лун Юпитера . [18] Два астероида имеют те же названия, что и луны Нептуна: 74 Галатея и 1162 Лариса .
Спутники Нептуна можно разделить на две группы: регулярные и нерегулярные . Первая группа включает семь внутренних спутников, которые следуют по круговым прямым орбитам, лежащим в экваториальной плоскости Нептуна. Вторая группа состоит из всех девяти других спутников, включая Тритон. Они, как правило, следуют по наклонным эксцентричным и часто ретроградным орбитам вдали от Нептуна; единственным исключением является Тритон, который вращается близко к планете по круговой орбите, хотя и ретроградной и наклонной. [19]
В порядке удаления от Нептуна регулярными лунами являются Наяда , Таласса , Деспина , Галатея , Ларисса , Гиппокамп и Протей . Все, кроме двух внешних, находятся в пределах синхронной с Нептуном орбиты (период вращения Нептуна составляет 0,6713 дня или 16 часов [20] ) и, таким образом, замедляются приливами . Наяда, ближайшая регулярная луна, также является второй по величине среди внутренних лун (после открытия Гиппокампа), тогда как Протей является самой большой регулярной луной и второй по величине луной Нептуна. Первые пять лун вращаются по орбите намного быстрее, чем само вращение Нептуна, в диапазоне от 7 часов для Наяды и Талассы до 13 часов для Лариссы .
Внутренние луны тесно связаны с кольцами Нептуна . Два самых внутренних спутника, Наяда и Таласса, вращаются между кольцами Галле и Леверье . [6] Деспина может быть пастушьей луной кольца Леверье, потому что ее орбита лежит прямо внутри этого кольца. [21] Следующая луна, Галатея , вращается прямо внутри самого выдающегося из колец Нептуна, кольца Адамса . [21] Это кольцо очень узкое, его ширина не превышает 50 км, [22] и имеет пять встроенных ярких дуг . [21] Гравитация Галатеи помогает удерживать частицы кольца в ограниченной области в радиальном направлении, поддерживая узкое кольцо. Различные резонансы между частицами кольца и Галатеей также могут играть роль в поддержании дуг. [21]
Только две самые крупные регулярные луны были получены с разрешением, достаточным для различения их форм и особенностей поверхности. [6] Ларисса, диаметром около 200 км, вытянута. Протей не сильно вытянут, но и не полностью сферичен: [6] он напоминает неправильный многогранник с несколькими плоскими или слегка вогнутыми гранями диаметром от 150 до 250 км. [23] При диаметре около 400 км он больше, чем луна Сатурна Мимас , которая имеет полностью эллипсоидальную форму. Эта разница может быть связана с прошлым столкновительным разрушением Протея. [24] Поверхность Протея сильно кратерирована и показывает ряд линейных особенностей. Его самый большой кратер, Фарос, имеет диаметр более 150 км. [6] [23]
Все внутренние луны Нептуна являются темными объектами: их геометрическое альбедо колеблется от 7 до 10%. [25] Их спектры указывают на то, что они состоят из водяного льда, загрязненного каким-то очень темным материалом, вероятно, сложными органическими соединениями . В этом отношении внутренние луны Нептуна похожи на внутренние луны Урана . [6]
В порядке их расстояния от планеты нерегулярные спутники — Тритон , Нереида , Галимеда , Сао , S/2002 N 5 , Лаомедея , Псамафе , Несо и S/2021 N 1 , группа, которая включает как прямые, так и ретроградные объекты. [19] Семь самых внешних спутников похожи на нерегулярные спутники других гигантских планет и, как полагают, были гравитационно захвачены Нептуном, в отличие от регулярных спутников, которые, вероятно, образовались на месте . [8]
Тритон и Нереида являются необычными нерегулярными спутниками и поэтому рассматриваются отдельно от других семи нерегулярных лун Нептуна, которые больше похожи на внешние нерегулярные спутники других внешних планет. [8] Во-первых, они являются крупнейшими двумя известными нерегулярными лунами в Солнечной системе, причем Тритон почти на порядок больше всех других известных нерегулярных лун. Во-вторых, у них обоих нетипично маленькие большие полуоси, причем у Тритона они на порядок меньше, чем у всех других известных нерегулярных лун. В-третьих, у них обоих необычные орбитальные эксцентриситеты: у Нереиды одна из самых эксцентричных орбит среди всех известных нерегулярных спутников, а орбита Тритона представляет собой почти идеальную окружность. Наконец, у Нереиды также самый низкий наклон среди всех известных нерегулярных спутников. [8]
Тритон движется по ретроградной и квазикруговой орбите и считается захваченным гравитацией спутником. Это вторая луна в Солнечной системе, у которой, как было обнаружено, имеется существенная атмосфера , состоящая в основном из азота с небольшим количеством метана и оксида углерода . [26] Давление на поверхности Тритона составляет около 14 мкбар . [26] В 1989 году космический аппарат Voyager 2 наблюдал то, что казалось облаками и дымкой в этой тонкой атмосфере. [6] Тритон является одним из самых холодных тел в Солнечной системе, с температурой поверхности около 38 К (−235,2 °C). [26] Его поверхность покрыта азотом, метаном, диоксидом углерода и водяным льдом [27] и имеет высокое геометрическое альбедо , превышающее 70%. [6] Альбедо Бонда еще выше, достигая 90%. [6] [примечание 2] Поверхностные особенности включают большую южную полярную шапку , более старые кратерированные плоскости, пересекаемые грабенами и уступами , а также молодые особенности, вероятно, сформированные эндогенными процессами, такими как криовулканизм . [6] Наблюдения Voyager 2 выявили ряд активных гейзеров в полярной шапке, нагреваемых Солнцем, которые выбрасывают струи на высоту до 8 км. [6] Тритон имеет относительно высокую плотность около 2 г/см3 , что указывает на то, что породы составляют около двух третей его массы, а льды (в основном водяной лед) - оставшуюся треть. Глубоко внутри Тритона может быть слой жидкой воды, образующий подземный океан. [28] Из-за его ретроградной орбиты и относительной близости к Нептуну (ближе, чем Луна к Земле), приливное замедление заставляет Тритон двигаться по спирали внутрь, что приведет к его разрушению примерно через 3,6 миллиарда лет. [29]
Нереида — третий по величине спутник Нептуна. Он имеет прямую, но очень эксцентричную орбиту и, как полагают, является бывшим регулярным спутником, который был рассеян на своей текущей орбите посредством гравитационных взаимодействий во время захвата Тритона. [30] На его поверхности спектроскопически обнаружен водяной лед. Ранние измерения Нереиды показали большие, нерегулярные изменения ее видимой величины, которые, как предполагалось, были вызваны принудительной прецессией или хаотическим вращением в сочетании с вытянутой формой и яркими или темными пятнами на поверхности. [31] Это было опровергнуто в 2016 году, когда наблюдения с космического телескопа Кеплер показали лишь незначительные изменения. Тепловое моделирование, основанное на инфракрасных наблюдениях с космических телескопов Спитцер и Гершель, предполагает, что Нереида лишь умеренно вытянута, что не способствует принудительной прецессии вращения. [32] Тепловая модель также указывает на то, что шероховатость поверхности Нереиды очень высокая, вероятно, похожа на шероховатость поверхности спутника Сатурна Гипериона . [32]
Нереида доминирует над обычными нерегулярными спутниками Нептуна, имея около 98% массы всей неправильной спутниковой системы Нептуна в целом (если не считать Тритон). Это похоже на ситуацию Фебы у Сатурна. Если ее считать обычным нерегулярным спутником (но не Тритоном), то Нереида также является самым большим известным обычным нерегулярным спутником, имея около двух третей массы всех обычных нерегулярных лун вместе взятых. [33]
Среди оставшихся нерегулярных лун Сао, S/2002 N 5 и Лаомедея следуют прямым орбитам, тогда как Галимеда, Псамафе, Несо и S/2021 N 1 следуют ретроградным орбитам. Существует по крайней мере две группы лун, которые имеют схожие орбиты, при этом прямые луны Сао, S/2002 N 5 и Лаомедея принадлежат к группе Сао, а ретроградные луны Псамафе, Несо и S/2021 N 1 принадлежат к группе Несо. [12] Луны группы Несо имеют самые большие орбиты среди всех естественных спутников, обнаруженных в Солнечной системе на сегодняшний день, со средними орбитальными расстояниями более чем в 125 раз больше расстояния между Землей и Луной и орбитальными периодами более 25 лет. [34] У Нептуна самая большая сфера Хилла в Солнечной системе, в первую очередь из-за его большого расстояния от Солнца; это позволяет ему сохранять контроль над такими далекими лунами. [19] Тем не менее, орбиты спутников Юпитера в группах Карме и Пасифе составляют больший процент от радиуса Хилла их главной звезды, чем орбиты спутников группы Несо. [19]
Распределение масс спутников Нептуна является наиболее неравномерным из спутниковых систем гигантских планет в Солнечной системе. Один спутник, Тритон, составляет почти всю массу системы, а все остальные спутники вместе составляют лишь одну треть одного процента. Это похоже на спутниковую систему Сатурна, где Титан составляет более 95% от общей массы, но отличается от более сбалансированных систем Юпитера и Урана. Причина неравномерности нынешней системы Нептуна заключается в том, что Тритон был захвачен задолго до образования первоначальной спутниковой системы Нептуна, и эксперты предполагают, что большая часть системы была разрушена в процессе захвата. [30] [35]
Орбита Тритона после захвата была бы крайне эксцентричной и вызвала бы хаотические возмущения в орбитах первоначальных внутренних спутников Нептуна, заставив их столкнуться и превратиться в диск обломков. [30] Это означает, что, вероятно, нынешние внутренние спутники Нептуна не являются первоначальными телами, которые образовались вместе с Нептуном. Только после того, как орбита Тритона стала круговой, часть обломков могла повторно аккрецироваться в современные регулярные луны. [24]
Механизм захвата Тритона был предметом нескольких теорий на протяжении многих лет. Одна из них постулирует, что Тритон был захвачен в результате столкновения трех тел . В этом сценарии Тритон является выжившим членом бинарного объекта пояса Койпера [примечание 3], разрушенного его столкновением с Нептуном. [36]
Численное моделирование показывает, что существует вероятность 0,41 того, что луна Галимеда столкнулась с Нереидой в какой-то момент в прошлом. [7] Хотя неизвестно, произошло ли какое-либо столкновение, обе луны, по-видимому, имеют схожие («серые») цвета, что подразумевает, что Галимеда может быть фрагментом Нереиды. [37]
Спутники Нептуна перечислены здесь по орбитальному периоду, от самого короткого к самому длинному. Неправильные (захваченные) спутники отмечены цветом. Орбиты и средние расстояния неправильных спутников изменяются в течение коротких временных шкал из-за частых планетарных и солнечных возмущений , поэтому перечисленные орбитальные элементы всех неправильных спутников усреднены за период в 30 000 лет: они могут отличаться от оскулирующих орбитальных элементов, предоставленных другими источниками. [38] Все их орбитальные элементы основаны на эпохе 1 января 2020 года. [1] Тритон, единственный спутник Нептуна, достаточно массивный для того, чтобы его поверхность коллапсировала в сфероид , воодушевлен.