3.2 Внутреннее тепло
Более разнообразная погода на Нептуне, по сравнению с Ураном, как полагают, – следствие более высокой внутренней температуры. При этом Нептун в два раза удалённее от Солнца, чем Уран, и получает лишь 40 % от солнечного света, который получает Уран. Поверхностные же температуры этих двух планет примерно равны. Верхние области тропосферы Нептуна достигают весьма низкой температуры в −221,4 °C. На глубине, где давление равняется 1 бару, температура достигает -201,15 °C. Глубже идут газы, однако температура устойчиво повышается. Как и с Ураном, механизм нагрева неизвестен, но несоответствие большое: Уран излучает в 1,1 больше энергии, чем получает от Солнца. Нептун же излучает в 2,61 раза больше, чем получает от Солнца. Несмотря на то, что Нептун – самая далёкая планета от Солнца, его внутренней энергии достаточно для наличия самых быстрых ветров в Солнечной системе. Предлагается несколько возможных объяснений, включая радиогенный нагрев ядром планеты (как Земля греется калием-40, к примеру), диссоциация метана в другие цепные углеводороды в условиях атмосферы Нептуна, а также конвекция в нижней части атмосферы, которая приводит к торможению волн гравитации над тропопаузой.
Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем – 4,55 млрд. км (около 30,1 средних расстояний между Солнцем и Землёй, или 30,1 а. е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 лет. 12 июля 2011 года Нептун завершит свой первый с момента открытия планеты в 1846 году полный оборот. С Земли он будет виден иначе, чем в день открытия, в результате того, что период обращения Земли вокруг Солнца (365,25 дней) не является кратным периоду обращения Нептуна. Эллиптическая орбита планеты наклонена на 1,77° относительно орбиты Земли. Вследствие наличия эксцентриситета 0,011, расстояние между Нептуном и Солнцем изменяется на 101 миллион километров – разница между перигелием и афелием, т.е. ближайшей и самой отдалённой точками положения планеты вдоль орбитального пути. Осевой наклон Нептуна – 28,32°, что похоже на наклон оси Земли и Марса. В результате этого планета испытывает схожие сезонные изменения. Правда, из-за длинного орбитального периода Нептуна сезоны длятся в течение сорока лет каждый.
Сидерический период вращения для Нептуна равен 16,11 часов. Вследствие осевого наклона, сходного с Земным (23°), изменения в сидерическом периоде вращения в течение его длинного года не является значимыми. Поскольку Нептун не имеет твёрдой поверхности, его атмосфера подвержена дифференциальному вращению. Широкая экваториальная зона вращается с периодом приблизительно 18 часов, что медленнее, чем 16,1-часовое вращение магнитного поля планеты. В противоположность экватору, полярные области вращаются за 12 часов. Это одна из отличительных черт Нептуна – среди всех планет Солнечной системы такое вращение наиболее ярко выражено именно у него. И это приводит к сильному широтному сдвигу ветров.
Симуляция внешних планет и пояса Койпера: а) До того как Юпитер и Сатурн вступили в резонанс 2:1; б) Рассеяние объектов пояса Койпера в Солнечной системе после изменения орбиты Нептуна; c) После выбрасывания тел пояса Койпера Юпитером.
Для формирования ледяных гигантов – Нептуна и Урана – оказалось трудно создать точную модель. Современные модели полагают, что плотность материи во внешних регионах Солнечной системы была слишком низкой для формирования таких крупных тел традиционно принятым методом аккреции материи на ядро. Чтобы объяснить эволюцию Урана и Нептуна, было выдвинуто множество гипотез.
Одна из них считает, что оба ледяных гиганта не сформировались методом аккреции, а появились из-за нестабильностей внутри изначального протопланетного диска, и позднее их атмосферы были «сдуты» излучением массивной звезды класса O или B.
Другая концепция заключается в том, что Уран и Нептун сформировались близко к Солнцу, где плотность материи была выше, и впоследствии переместились на текущие орбиты. Гипотеза перемещения Нептуна пользуется популярностью, потому что позволяет объяснить текущие резонансы в поясе Койпера, в особенности, резонанс 2:5. Когда Нептун двигался наружу, он сталкивался с объектами прото-пояса Койпера, создавая новые резонансы и хаотично меняя существующие орбиты. Считается, что объекты рассеяного диска оказались в текущем положении из-за взаимодействия с резонансами, создаваемыми миграцией Нептуна.
Предложенная в 2004 году компьютерная модель Алессандро Морбиделли из обсерватории Лазурного берега в Ницце предположила, что перемещение Нептуна к поясу Койпера могло быть инициировано формированием резонанса 1:2 в орбитах Юпитера и Сатурна, который послужил, своего рода, гравитационным усилием, которое толкнуло Уран и Нептун на более высокие орбиты и заставило их поменять местоположение. Выталкивание объектов из пояса Койпера в результате этой миграции может также объяснить «Позднюю тяжёлую бомбардировку», произошедшую через 600 миллионов лет после формирования Солнечной системы, и появление у Юпитера троянских астероидов.
У Нептуна на данный момент известно 13 спутников. Крупнейший из них весит более, чем 99,5 процентов от масс всех спутников Нептуна, вместе взятых, и лишь он массивен настолько, чтобы стать сфероидальным. Это Тритон, открытый Уильямом Ласселом всего через 17 дней после открытия Нептуна. В отличие от всех остальных крупных спутников планет в Солнечной системе, Тритон обладает ретроградной орбитой. Возможно, он был захвачен гравитацией Нептуна, а не сформировался на месте, и, возможно, когда-то был карликовой планетой в поясе Койпера. Он достаточно близок к Нептуну, чтобы быть зафиксированным в синхронном вращении. Из-за приливного ускорения Тритон медленно двигается по спирали к Нептуну, и, в конечном счёте, будет разрушен при достижении предела Роша, в результате чего образуется кольцо, которое может быть более мощным, чем кольца Сатурна (это произойдёт через относительно небольшой в астрономических масштабах период времени: от 10 до 100 миллионов лет). В 1989 году Тритон считался самым холодным объектом в Солнечной системе, температура которого была измерена, с предполагаемой температурой в −235 °C (38 K). Тритон является одним из трёх спутников планет Солнечной системы, имеющих атмосферу (наряду с Ио и Титаном). Указывается на возможность существования под ледяной корой Тритона жидкого океана, подобного океану Европы.
Второй (по времени открытия) известный спутник Нептуна – Нереида, спутник неправильной формы с одним из самых высоких эксцентриситетов орбиты среди прочих спутников Солнечной системы. Эксцентриситет в 0,7512 даёт ей апоапсиду, в 7 раз большую её периапсиды.
С июля по сентябрь 1989 года «Вояджер-2» обнаружил 6 новых спутников Нептуна. Среди них примечателен спутник Протей неправильной формы. Он примечателен тем, каким большим может быть тело его плотности, без стягивания в сферическую форму собственной гравитацией. Второй по массе спутник Нептуна составляет лишь четверть процента от массы Тритона.
Четыре самые внутренние спутника Нептуна – Наяда, Таласса, Деспина, и Галатея. Их орбиты так близки к Нептуну, что находятся в пределах его колец. Следующая за ними, Ларисса, была первоначально открыта в 1981 году при покрытии звезды. Сначала покрытие было приписано дугам колец, но когда «Вояджер-2» посетил Нептун в 1989 году, выяснилось, что покрытие было произведено спутником. Между 2002 и 2003 годом было открыто ещё 5 спутников Нептуна неправильной формы, что было анонсировано в 2004 году. Поскольку Нептун был римским богом морей, его спутники называют в честь меньших морских божеств.
Нептун не виден невооружённым глазом, так как его звёздная величина находится между +7,7 и +8,0. Таким образом, Галилеевы спутники Юпитера, карликовая планета Церера и астероиды 4 Веста, 2 Паллада, 7 Ирида, 3 Юнона и 6 Геба ярче его на небе. В телескоп или хороший бинокль можно увидеть Нептун как небольшой голубоватый диск, похожий на Уран.
Из-за расстояния между Нептуном и Землёй угловой диаметр планеты меняется лишь в пределах 2,2–2,4 угловых секунд – наименьшее значение среди остальных планет Солнечной системы. Его малый угловой размер создаёт большие трудности для визуальных наблюдений; большинство телескопических данных о Нептуне были довольно ограничены до появления Космического телескопа «Хаббл» и крупных наземных телескопов с адаптивной оптикой. В 1977, к примеру, даже период вращения Нептуна был сомнительным.