海王星は、太陽を周回する8番目で、最も遠い既知の惑星である。太陽系で直径4番目、質量3番目、そして最も密度の高い巨大惑星である。質量は地球の17倍である。隣接する氷の巨星である天王星と比較すると、海王星はわずかに小さいが、質量と密度が高い。主に気体と液体で構成されているため、[21]明確な固体表面を持たない。海王星は164.8 年に1回太陽の周りを公転し、軌道距離は30.1天文単位（45億キロメートル、28億マイル）である。ローマ神話の海の神にちなんで名付けられ、天文記号は ♆ネプチューンのトライデントを表す。[e]

海王星は肉眼では見えず、太陽系で最初に直接的な経験的観測によって観測されなかった唯一の惑星である。むしろ、天王星の軌道の予期せぬ変化から、アレクシ・ブーヴァールは、その軌道が未知の惑星による重力摂動を受けているという仮説を立てた。ブーヴァールの死後、海王星の位置は、ジョン・カウチ・アダムスとアーバン・ルヴェリエによって独立に、ブーヴァールの観測結果から数学的に予測された。その後、1846年9月23日[2]にヨハン・ゴットフリート・ガレが望遠鏡で海王星を直接観測し、ルヴェリエによって予測された位置から1度以内であった。最大の衛星トリトンはその直後に発見されたが、残りの衛星は20世紀まで望遠鏡で発見されなかった。

地球から遠いため見かけの大きさは小さく、太陽から遠いため非常に暗いため、地上の望遠鏡で研究するのは困難です。ハッブル宇宙望遠鏡と補償光学を備えた地上の大型望遠鏡の登場によって初めて詳細な観測が可能になりました。 1989年8月25日に海王星を通過したボイジャー2号は、この惑星を訪れた唯一の宇宙船です。[22] [23]巨大ガス惑星（木星と土星）と同様に、海王星の大気は主に水素とヘリウムで構成され、微量の炭化水素とおそらく窒素も含まれていますが、水、アンモニア、メタンなどの氷の割合が高いです。天王星と同様に、内部は主に氷と岩石で構成されています。[24]両方の惑星は通常、区別するために「氷惑星」と考えられています。[25]レイリー散乱と最外層におけるメタンの痕跡により、海王星は淡く青く見える。[26] [27]

天王星の強い季節性大気は長期間にわたって特徴のないことがあるが、海王星の大気は活発で一貫して観測可能な気象パターンを持つ。 1989年のボイジャー2号の接近時には、海王星の南半球には木星の大赤斑に匹敵する大暗斑があった。2018年には、より新しい主要な暗斑とより小さな暗斑が特定され、調査された。[28]これらの気象パターンは、太陽系のどの惑星よりも強い持続的な風によって駆動されており、その風速は時速2,100キロメートル（秒速580メートル、時速1,300マイル）に達する。[29]太陽からの距離が非常に遠いため、海王星の外層大気は太陽系で最も寒い場所の1つであり、雲頂の温度は55 ケルビン（摂氏-218 度、華氏-361 度）に近づく。惑星中心部の温度は約5,400 K（5,100 °C、9,300 °F）である。[30] [31]海王星には、1984年に発見され、ボイジャー2号によって確認された、かすかで断片的な環系（「アーク」と呼ばれる）が存在する。[32]

歴史

発見

史上最古の望遠鏡観測として知られるガリレオの1612年12月28日と1613年1月27日（新暦）の図面には、その日付の海王星の位置として現在知られているものと一致するプロット点が含まれています。どちらの場合も、夜空で海王星が木星の近くに（合として）現れたため、ガリレオは海王星を恒星と間違えたようです。[33]そのため、彼は海王星の発見者として認められていません。1612年12月の最初の観測では、海王星はその日に逆行に転じたばかりだったため、空でほぼ静止していました。この見かけ上の逆行は、地球の軌道が海王星を外惑星のそばを通過するときに発生します。海王星は1年に1度の逆行サイクルを始めたばかりだったので、惑星の動きはガリレオの小さな望遠鏡で検出するには小さすぎました。[34] 2009年の研究では、ガリレオは少なくとも彼が観測した「星」が恒星に対して動いていることを認識していたことが示唆されました。[35]

1821年、アレクシス・ブーヴァールは天王星の軌道に関する天文表を出版した。[36]その後の観測で表からの大幅な逸脱が明らかになり、ブーヴァールは未知の天体が重力相互作用によって軌道を乱しているという仮説を立てた。 [37] 1843年、ジョン・カウチ・アダムズは自身が保有するデータを用いて天王星の軌道に関する研究を開始した。彼は王立天文官のジョージ・エアリー卿に追加データを要請し、エアリー卿は1844年2月にそのデータを提供した。アダムズは1845年から1846年にかけて研究を続け、天王星の外側にある未発見の惑星の位置について複数の異なる推定値を提示した。[38] [39]

アダムズとは独立して、ユルバン・ルヴェリエは1845年から1846年にかけて、未発見の惑星を示唆する独自の計算を行ったが、同胞の間では熱狂を呼ばなかった。1846年6月、ルヴェリエが初めて公表した未発見と思われる惑星の経度の推定値とアダムズの推定値との類似性を見て、エアリーはジェームズ・チャリスにその惑星を探すよう説得した。チャリスは8月から9月にかけて空をくまなく探したが無駄だった。[37] [40]チャリスは実は、その後の海王星発見者ヨハン・ゴットフリート・ガレより1年前に海王星を観測しており、1845年8月4日と12日の2回観測していた。しかし、彼の古い星図と貧弱な観測技術のために、彼は後の分析を行うまでその観測結果に気づかなかった。チャリスは自責の念に駆られたが、地図の作成を怠ったことと、同時に行っていた彗星観測の仕事に気を取られていたことを責めた。[41] [37] [42]

一方、ルヴェリエは手紙を送り、ベルリン天文台の天文学者ガレに天文台の屈折望遠鏡で捜索するよう促した。天文台の学生であったハインリヒ・ダレストはガレに、ルヴェリエが予測した位置の付近の最近描かれた空図と現在の空を比較して、恒星ではなく惑星の変位特性を探すことを提案した。1846年9月23日の夕方、ガレが手紙を受け取ったその日、彼は水瓶座イオタのちょうど北東に海王星を発見した。これはルヴェリエが予測した「やぎ座デルタの東5度」の位置から1度、[43] [44]アダムスの予測から約12度離れており、現代のIAU星座境界によれば水瓶座とやぎ座の境界にあった。

ガレが海王星を発見するために使用した9インチ屈折望遠鏡

この発見を受けて、フランスとイギリスの間では、誰が発見の功績を称えられるかをめぐって国家主義的な対立が繰り広げられました。最終的に、ルヴェリエとアダムズが共同で功績を認められるという国際的な合意が形成されました。[45] 1966年以来、デニス・ローリンズはアダムズの共同発見の信憑性に疑問を呈しており、この問題は1998年に「ネプチューン文書」（歴史文書）がグリニッジ王立天文台に返還されたことで、歴史家によって再評価されました。[46] [47]

ネーミング

発見直後、海王星は単に「天王星の外側の惑星」あるいは「ル・ヴェリエの惑星」と呼ばれていました。最初の名前の提案はガレによるもので、彼はヤヌス（Janus ）という名前を提案しました。イギリスでは、チャリスがオケアヌス（Oceanus）という名前を提案しました。[48]

ルヴェリエは、自らの発見に命名権があると主張し、この新惑星に海王星という名前をすぐに提案したが、これはフランス経度局によって正式に承認されたと虚偽の主張をした。[49] 10月、彼は自身の名をとってこの惑星にルヴェリエという名前をつけようとし、天文台長のフランソワ・アラゴの忠実な支持を得ていた。この提案はフランス国外で強固な抵抗に遭った。[50]フランスの暦は、天王星の発見者であるウィリアム・ハーシェル卿にちなんで、天王星に ハーシェルという名前を、新惑星にルヴェリエという名前をすぐに復活させた。[ 51]

1846年12月29日、シュトルーベはサンクトペテルブルク科学アカデミーにおいて、望遠鏡で見た惑星の色にちなんで「ネプチューン」という名称を支持する立場を表明した。[ 52] [53]間もなく、ネプチューンは国際的に認められた名称となった。ローマ神話において、ネプチューンは海の神であり、ギリシャ神話のポセイドンと同一視されていた。神話にちなんだ名称を求める声は、他の惑星の命名法と一致していたようで、他の惑星はすべてギリシャ神話とローマ神話の神々にちなんで名付けられていた。[f] [54]

今日、ほとんどの言語では、この惑星の名称として「ネプチューン」の何らかの派生語が用いられている。中国語、ベトナム語、日本語、韓国語では、この惑星の名称は「海王星」（海王星）と翻訳されている。[55] [56]モンゴル語では、海王星はダライン・ヴァン（Далайн ван ）と呼ばれ、同名の神が海の支配者であることを反映している。現代ギリシャ語では、この惑星はポセイドン（Ποσειδώνας、Poseidonas）と呼ばれ、これはギリシャ神話のネプチューンに相当する。[57] ヘブライ語では、詩篇に登場する海の怪物ラハブ（רהב）が、 2009年にヘブライ語アカデミーが運営する投票でこの惑星の正式名称として選ばれたが、既存のラテン語ネプチューン（נפטון）が一般的に使用されている。[58] [59]マオリ語では、この惑星はマオリの海の神タンガロアにちなんで名付けられている。[60]ナワトル語では、この惑星は雨の神トラロックにちなんでトラロクチトラリと呼ばれている。[60]タイ語では、海王星は西洋風の名前であるダオ・ネプチュン/ネプジュン（ดาวเนปจูน）で呼ばれるが、ヒンドゥー占星術で重要な役割を果たす月の下降交点であるケートゥ（केतु ）にちなんで、ダオ・ケット（ดาวเกตุ、文字通り「ケートゥの星」）とも呼ばれる。マレー語では、ヒンドゥー教の海の神にちなんでワルナという名前が1970年代にまで遡って確認されているが、[61]最終的にはラテン語の同義語であるネプトゥン（マレーシア語[62]）またはネプトゥヌス（インドネシア語[63]）に取って代わられた。  

通常の形容詞形はNeptunianである。Poseidonに由来する臨時形Poseidean（/ p ə ˈ s aɪ d i ən / ）も使用されている[5]が、 Poseidonの通常の形容詞形はPoseidonian（/ ˌ p ɒ s aɪ ˈ d oʊ n i ən / ）である。[64]

状態

1846年の発見から1930年の冥王星の発見まで、海王星は既知の惑星の中で最も遠いものでした。冥王星が発見された当時は惑星とみなされ、海王星は既知の惑星の中で2番目に遠い惑星となりました。ただし、1979年から1999年までの20年間は、冥王星の軌道が楕円形であったため、海王星が太陽から9番目の惑星となりました。[65] [66]冥王星の質量は地球の10倍から月よりもはるかに小さいと推定されるようになり、その精度は向上しました。[67]そして1992年のカイパーベルトの発見により、多くの天文学者が冥王星を惑星とみなすべきか、それともカイパーベルトの一部とみなすべきか議論するようになりました。[68] [69] 2006年、国際天文学連合は 初めて「惑星」という言葉を定義し、冥王星を「準惑星」に再分類し、海王星を再び太陽系で最も外側の既知の惑星にしました。[70]

身体的特徴

海王星と地球の大きさの比較

海王星の質量は1.024 × 1026  kg [8]は、地球と大型のガス惑星の中間で、地球の 17.15 倍ですが、木星の1/19 に過ぎません。 [g] 1 bar での重力は11.27 m/s 2で、地球の表面重力の1.15 倍であり、 [8]木星に次いで大きいです。 [71]海王星の赤道半径は 24,764 km [11]で、地球のほぼ 4 倍です。海王星は、天王星と同様に氷惑星であり、巨大惑星のサブクラスです木星や土星よりも小さく、揮発性物質の濃度が高いためです。 [72]太陽系外惑星の探索では、海王星は換喩として使用され、同様の質量の発見された天体はしばしば「海王星」と呼ばれます。 [73]科学者がさまざまな太陽系外天体を「木星」と呼ぶのと同じです。

内部構造

海王星の内部構造は天王星に似ています。大気は質量の約5～10%を占め、核に向かって10～20%ほど広がっています。大気の圧力は約10万 気圧（約10 5気圧）に達します。大気の下層では、メタン、アンモニア、水の濃度が上昇しています。 [30]

海王星の内部とその周囲の物理的な構成要素を擬似カラーで描いたイラスト

マントルは地球の10から15倍の質量に相当し、水、アンモニア、メタンが豊富である。[2]惑星科学の慣例に従い、この混合物は高温高密度の超臨界流体であるにもかかわらず、氷の流体と呼ばれる。この流体は高い導電性を持ち、水アンモニアの海と呼ばれることもある。[74]マントルは、水分子が水素と酸素イオンのスープに分解されるイオン水の層と、より深いところにある超イオン水の層で構成されている可能性がある。この超イオン水では、酸素は結晶化するが、水素イオンは酸素格子内を自由に浮遊している。[75]深さ7,000kmでは、メタンがダイヤモンドの結晶に分解し、雹のように降り注ぐような条件が整っている可能性がある。[76] [77] [78]科学者たちは、この種のダイヤモンドの雨が木星、土星、天王星で発生すると考えている。[79] [77]ローレンス・リバモア国立研究所での超高圧実験では、マントルの上部は固体の「ダイヤモンド」が浮遊する液体炭素の海である可能性があることが示唆されている。[80] [81] [82]

海王星の核は鉄、ニッケル、ケイ酸塩で構成されていると考えられており、内部モデルでは地球の約1.2倍の質量があるとされています。[24]中心の圧力は7  Mbar（700 GPa）で、地球の中心の約2倍であり、温度は5,400 K（5,100 °C、9,300 °F）である可能性があります。[30] [31]

雰囲気

高高度では、海王星の大気は水素80%、ヘリウム19%で構成されています。[30]微量のメタンも存在します。メタンの顕著な吸収帯は、600nm以上の波長、つまりスペクトルの赤色および赤外線領域に存在します。天王星と同様に、大気中のメタンによる赤色光の吸収は、海王星に淡い青色を与える一因となっています。[84]海王星では、天王星の大気中の濃密なもやにより、この青色がより顕著になっています。[85] [86]

海王星の大気は、高度とともに気温が低下する下層対流圏と、高度とともに気温が上昇する成層圏という2つの主要な領域に分けられます。両者の境界である対流圏界面は、0.1バール（10 kPa）の圧力にあります。[25]成層圏は、 10 -5～ 10 -4バール（1 ～ 10 Pa）未満の圧力で熱圏に移行します 。[25]熱圏は徐々に外気圏へと移行します。[87]

モデルによれば、海王星の対流圏は高度に応じて組成の異なる雲で覆われていると考えられる。[83]上層の雲は1バール以下の圧力で存在し、その温度はメタンの凝縮に適している。1バールから5バール（100kPaから500kPa）の圧力では、アンモニアと硫化水素の雲が形成されると考えられている。5バールを超える圧力では、雲はアンモニア、硫化アンモニウム、硫化水素、水で構成される可能性がある。より深いところでは、水氷の雲が約50バール（5.0MPa）の圧力で存在し、温度は273K（0℃、32℉）に達する。その下には、アンモニアと硫化水素の雲が存在する可能性がある。[88]

海王星の高高度雲が、その下の不透明な雲層に影を落とすのが観測されている。一定の緯度で海王星を囲む高高度雲帯が存在する。これらの円周方向の雲帯の幅は50～150 kmで、雲層から約50～110 km上空に位置している。[89]これらの高度は、気象が発生する層である対流圏にある。高層成層圏や熱圏では気象は発生しない。2023年8月、海王星の高高度雲が消失したことをきっかけに、ハッブル宇宙望遠鏡と地上望遠鏡による30年にわたる観測に基づく研究が行われた。この研究では、海王星の高高度雲の活動は太陽の周期に連動しており、惑星の季節とは関係がないことが明らかになった。[83] [90] [91]

海王星のスペクトルは、メタンの紫外線分解生成物であるエタンやエチンの凝縮により、下部成層圏が霞んでいることを示唆している。[25] [30]成層圏には微量の一酸化炭素とシアン化水素が存在する。[25] [92]海王星の成層圏は炭化水素の濃度が高いため、天王星の成層圏よりも暖かい。[25]

理由は不明であるが、この惑星の熱圏は約750 K（477 °C; 890 °F）という異常に高い温度にある。[93] [94]この惑星は太陽から遠すぎるため、紫外線によってこの熱が発生することはないと考えられる。加熱メカニズムの一つとして、惑星の磁場中のイオンと大気の相互作用が考えられる。他の可能性としては、惑星内部から発生する重力波が大気中で消散する現象が挙げられる。熱圏には微量の二酸化炭素と水が含まれており、これらは隕石や塵などの外部起源から堆積した可能性がある。[88] [92]

色

海王星の大気は可視スペクトルでは淡い青色で、天王星の大気の青色よりわずかに彩度が高い程度です。初期の2つの惑星のレンダリングでは、「雲、縞模様、風をより鮮明に見せるため」海王星の色のコントラストが誇張され、天王星のオフホワイトと比較して深い青色に見えていました。2つの惑星は異なるシステムで撮影されたため、合成画像を直接比較することは困難でした。この問題は、時間の経過とともに色を標準化することで再検討され、最も包括的なものは2023年後半に行われました。[86] [95]

  • NASA/JPLによるボイジャー2号のオリジナル2色画像（オレンジグリーン）。色は誇張されている[96]
    NASA/JPLによるボイジャー2号のオリジナル2色画像（オレンジグリーン）、色彩強調[96]
  • 2016年に色彩の再調整（ジャスティン・カワート）が行われ、コントラストの強化がいくらか維持された[97]
    2016年に色彩の再調整（ジャスティン・カワート）が行われ、コントラストの強化がいくらか維持された[97]
  • 2023年に色が再調整され（パトリック・アーウィン）、実際の色に近づいた[98]
    2023年に色が再調整され（パトリック・アーウィン）、実際の色に近似した[98]

磁気圏

海王星の磁気圏は、自転軸に対して47°強く傾いた磁場で構成されており、惑星の物理的中心から少なくとも半径0.55倍（約13,500km）オフセットされています。これは天王星の磁気圏に似ています。ボイジャー2号が海王星に到着する前は、天王星の横向きの自転が磁気圏の傾斜を引き起こしているという仮説がありました。現在、科学者たちは、2つの惑星の磁場を比較した結果、この極端な傾きは惑星内部の流れの特徴である可能性があると考えています。この磁場は、導電性液体（おそらくアンモニア、メタン、水の混合物）の薄い球殻内の対流流体運動によって生成され、[88]ダイナモ作用を引き起こしていると考えられます。[99]

海王星の磁気赤道における磁場の双極子成分は約14 マイクロテスラ（0.14  G）である。[100]海王星の双極子磁気モーメントは約2.2 × 10 17  T·m 3（14 μT· R N 3、R Nは海王星の半径）である。海王星の磁場は複雑な形状をしており、非双極子成分の寄与が比較的大きく、その中には双極子モーメントを超える強い四極子モーメントも含まれる。対照的に、地球、木星、土星の四極子モーメントは比較的小さく、それらの磁場は極軸からの傾きも小さい。海王星の大きな四極子モーメントは、惑星の中心からのオフセットと、磁場のダイナモ発電機の幾何学的制約の結果であると考えられる。[101] [102]

海王星のバウショック（磁気圏が太陽風を減速させ始める場所）は、海王星の半径の34.9倍の距離にあります。磁気圏の圧力が太陽風と釣り合う磁気圏界面は、海王星の半径の23～26.5倍の距離にあります。磁気圏の尾部は、少なくとも海王星の半径の72倍まで伸びており、おそらくそれよりもさらに遠くまで伸びていると考えられます。[101]

左：ハッブル宇宙望遠鏡で撮影された海王星の可視光画像。
右：ハッブル宇宙望遠鏡の画像とジェイムズ・ウェッブ望遠鏡で撮影された近赤外線画像を合成した画像。オーロラは可視光域では観測できないため、近赤外線画像はシアン色の濃淡で表現されている。

ボイジャー2号による極端紫外線と電波の測定により、海王星には微かで弱いながらも複雑で独特なオーロラがあることが明らかになった。しかし、これらの観測は時間的に制限されており、赤外線は含まれていなかった。その後、ハッブル宇宙望遠鏡を使用した天文学者たちは、天王星のより鮮明なオーロラとは対照的に、このオーロラを目撃していない。[103] [104] 2025年3月、ハッブル宇宙望遠鏡の可視光画像とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線（NIR）画像を組み合わせることで、海王星のオーロラが初めて撮影された。関連データは2023年6月に取得された。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は海王星の大気の分光分析を試み、三水素陽イオン（H+3
​）はオーロラ発生時に発生し、巨大ガス惑星と巨大氷惑星の両方におけるオーロラ活動の明確な指標と考えられています。海王星のオーロラの性質は、その磁場の特異性に大きく影響されています。地球、木星、土星とは異なり、海王星の磁極は惑星の自転極と一致していません。そのため、海王星のオーロラは、地球や木星のように極ではなく、主に中緯度周辺で発生します。[105]

気候

大暗斑（上）、スクーター（中央の白い雲）[106]、小暗斑（下）のコントラストを強調した

海王星の気象は極めてダイナミックな嵐のシステムによって特徴付けられ、風速はほぼ600メートル/秒（時速2,200キロメートル、時速1,300マイル）に達し、超音速を超えます。[29]より典型的には、持続的な雲の動きを追跡することで、風速は東方向で20メートル/秒、西方向で325メートル/秒まで変化することが示されています。[107]雲頂では、卓越風速は赤道沿いで400メートル/秒、極では250メートル/秒の範囲です。[88]海王星の風のほとんどは、惑星の自転と逆方向に吹きます。 [108 ]風の一般的なパターンは、高緯度では順行回転、低緯度では逆行回転を示しています。この流れの方向の違いは「表皮効果」によるものであり、深層大気のプロセスによるものではないと考えられています。 [25]南緯70度では、高速ジェットは毎秒300メートルの速度で移動します。[25]季節変化により、海王星の南半球の雲帯は大きさとアルベドが増加することが観測されています。この傾向は1980年に初めて観測されました。海王星の長い公転周期により、季節は地球の40年続きます。[109]

海王星は、典型的な気象活動のレベルにおいて天王星とは異なります。ボイジャー2号は1989年のフライバイで海王星の気象現象を観測しましたが、[110] 1986年のフライバイでは天王星に匹敵する現象は観測されませんでした。

海王星の赤道におけるメタン、エタン、アセチレンの量は、極域の10～100倍である。これは、赤道での湧昇と極域付近での沈降の証拠と解釈される。なぜなら、南北循環なしには光化学反応だけではこの分布を説明できないからである。[25]

2007年、海王星の南極上層大気は、平均約73 K（-200 °C）である海王星の大気圏の他の部分よりも約10 K高いことが発見されました。この温度差は、他の場所では対流圏で凍結しているメタンが、極付近の成層圏に放出されるのに十分なものです。[111]この相対的な「ホットスポット」は、海王星の軸の傾きによるもので、海王星の1年の最後の四半期、つまり地球の約40年の間、南極が太陽にさらされています。海王星がゆっくりと太陽の反対側に移動すると、南極は暗くなり、北極は明るくなり、メタンの放出は北極に移行します。[112]

嵐

ボイジャー2号が撮影した大暗斑の鮮明なカラー画像

1989年、NASAのボイジャー2号宇宙船は、13,000 km × 6,600 km（8,100 mi × 4,100 mi）に及ぶ高気圧性の嵐システムである大暗斑[110]を発見しました。この嵐は木星の大赤斑に似ていました。それから約5年後の1994年11月2日、ハッブル宇宙望遠鏡は木星の大暗斑を捉えることができませんでした。代わりに、海王星の北半球で大暗斑に似た新しい嵐が発見されました。[113]

そのスクーターは別の嵐で、大暗斑よりもさらに南にある白い雲のグループです。このニックネームは、1989年のボイジャー2号の遭遇の数ヶ月前に初めて付けられました。その際、スクーターは大暗斑よりも速い速度で移動していることが観測されました（そして、その後取得された画像では、ボイジャー2号が最初に検出したよりもさらに速く移動する雲の存在が明らかになりました）。 [108]小暗斑は南半球の低気圧性の嵐で、1989年の遭遇時に観測された2番目に強い嵐でした。最初は完全に暗かったが、ボイジャー2号が惑星に近づくにつれて明るい核が形成され、最高解像度の画像のほとんどで見ることができます。 [114] 2018年には、新しい主暗斑と小暗斑が特定され、研究されました。 [28] 2023年には、海王星の暗斑の地上からの初観測が発表されました。 [115]

海王星の暗斑は、明るい雲の特徴よりも低い高度の対流圏で発生すると考えられており[117]、上層雲層に穴のように見える。これらは数ヶ月間持続する安定した特徴であるため、渦構造であると考えられている[89]。暗斑としばしば関連付けられるのは、対流圏界面層周辺に形成される、より明るく持続的なメタン雲である[118] 。伴雲の持続性は、かつての暗斑がもはや暗い特徴として見えなくなっても、サイクロンとして存在し続ける可能性があることを示している。暗斑は赤道に近づきすぎたり、あるいは他の未知のメカニズムによって消滅したりする可能性がある[119] 。

NASA/ESAハッブル宇宙望遠鏡の 広視野カメラ3で数時間間隔で撮影された4枚の写真。近赤外線データが赤色チャンネルとして使用されている。[120]

1989年、ボイジャー2号の惑星電波天文学（PRA）実験では、約60回の雷閃光、つまり海王星の静電放電が観測され、7 × 10 8  J。[121]プラズマ波システム（PWS）は、周波数範囲が磁気緯度7～33度では50～12kHzであった。 [122] [123]これらのプラズマ波の検出は、磁気圏内のアンモニア雲内で20分以上にわたって発生した雷によって引き起こされた可能性がある。[123]

ボイジャー2号が海王星に最接近した際、PWS装置は毎秒28,800サンプルのサンプリングレートで海王星初のプラズマ波動を検出した。[123]測定されたプラズマ密度は10 −3～ 10 −1 cm 3の範囲であった。[123] [124]海王星の雷は3層の雲で発生する可能性があり、[125]微物理モデルでは、これらの発生のほとんどが対流圏の水雲または磁気圏の浅いアンモニア雲で発生することが示唆されている。[122] [126]海王星の雷発生率は木星の1/19で、雷活動のほとんどは高緯度で発生すると予測されている。しかし、海王星の雷は木星の雷というよりは地球の雷に似ているようだ。[121]

内部加熱

天王星と比較して海王星の天候がより変化に富んでいるのは、部分的には内部加熱が高いことに起因している。海王星の対流圏上層部は最低気温が51.8 K（-221.3 °C）に達する。大気圧が1  bar（100  kPa）の深度では、気温は72.00 K（-201.15 °C）となる。[127]ガス層の深部では、気温は着実に上昇する。天王星と同様に、この加熱源は不明であるが、その差はより大きく、天王星は太陽から受け取るエネルギーの1.1倍しか放射していないのに対し、[128]海王星は太陽から受け取るエネルギーの約2.61倍を放射している。[16]

海王星は天王星よりも太陽から50%以上離れており、太陽光の量は天王星の約40%に過ぎない[25] 。しかし、その内部エネルギーは太陽系で最も速い惑星風を吹き出すのに十分な量である。内部の熱特性にもよるが、海王星形成時に残存した熱で現在の熱流を説明できる可能性がある。しかし、両惑星の見かけ上の類似性を保ちながら、天王星に内部熱が存在しない理由を説明するのは困難である[129] 。

軌道と回転

海王星（赤い弧）は、地球が太陽（中心）の周りを164.79周するごとに1周します。水色の点は天王星を表しています。

海王星と太陽の平均距離は45億km（地球から太陽までの平均距離である約30.1 天文単位（AU））で、平均164.79年で公転周期が一周しますが、約±0.1年の変動があります。近日点距離は29.81 AU、遠日点距離は30.33 AUです。[h]海王星の軌道離心率はわずか0.008678で、太陽系の中では金星に次いで2番目に円形の軌道を持つ惑星です。[131]海王星の軌道は地球の軌道に対して1.77° 傾いています。

2011年7月11日、海王星は1846年の発見以来初めて、重心軌道を一周しました。 [132]地球が365.26日の軌道上で別の位置にあったため、海王星は発見時の正確な位置には現れませんでした。太陽系の重心に対する太陽の運動のため、7月11日時点で海王星は太陽に対する正確な発見位置にはいませんでした。より一般的な太陽中心座標系を用いると、発見時の経度に到達したのは2011年7月12日です。[12] [ 133] [134] [135]

海王星の自転軸の傾きは28.32° [136]で、地球（23°）や火星（25°）の傾きとほぼ同じです。そのため、海王星は地球と同様の季節変化を経験します。海王星の公転周期が長いため、季節は地球の40年続きます。[109]自転周期（1日）は約16.11時間です。[12]海王星の自転軸の傾きが地球と同程度であるため、長い1年を通して昼の長さの変化はそれほど極端ではありません。

海王星は固体ではないため、その大気は差動回転を起こします。広い赤道域は約18時間周期で自転しており、これは海王星の磁場の自転周期16.1時間よりも遅いです。一方、極域では逆のことが起こり、自転周期は12時間です。この差動回転は太陽系のどの惑星よりも顕著であり[137]、強い緯度方向の風のシアを引き起こします[89]。

形成と共鳴

形成

外惑星とカイパーベルトを示すシミュレーション：a) 木星と土星が2:1共鳴に達する前、b) 海王星の軌道シフトに伴うカイパーベルト天体の内側への散乱後、c) 木星による散乱カイパーベルト天体の排出後

海王星と天王星のような氷惑星の形成を正確にモデル化することは困難であった。現在のモデルは、太陽系の外縁部における物質密度が低すぎるため、従来受け入れられてきた核集積説ではこのような巨大天体の形成を説明できないことを示唆しており、その形成を説明するために様々な仮説が提唱されてきた。その一つは、氷惑星は核集積ではなく、元々の原始惑星系円盤内の不安定性によって形成され、後に近くの巨大なOB星からの放射線によって大気が吹き飛ばされたというものである。[72]

別の概念は、これらの天体が物質密度の高い太陽に近い場所で形成され、その後、ガス状の原始惑星系円盤が除去された後に現在の軌道に移動したというものです。 [138]この形成後の移動の仮説は、太陽系外縁領域で観測される小天体の占有をよりうまく説明できるため、支持されています。 [139]現在最も広く受け入れられているこの仮説の詳細の説明は[140] [141] [142]ニースモデルとして知られており、移動する海王星と他の巨大惑星がカイパーベルトの構造に及ぼす潜在的な影響を探る 動的進化シナリオです。

軌道共鳴

海王星が原因のカイパーベルトにおける主要な軌道共鳴を示す図。強調表示された領域は、2:3 共鳴 (プルティノス)、非共鳴の「古典ベルト」 (キュベワノス)、および 1:2 共鳴 (トゥエティノス) です。

海王星の軌道は、そのすぐ外側のカイパーベルトと呼ばれる領域に大きな影響を与えている。カイパーベルトは小惑星帯に似ているがはるかに大きく、海王星の軌道から太陽から約30 AUのところから約55 AUのところまで伸びている。[143]木星の重力が小惑星帯を支配しているのと同じように、海王星の重力がカイパーベルトを支配している。太陽系の長い年月の間に、カイパーベルトの特定の領域は海王星の重力によって不安定になり、その構造に隙間ができた。40 AUから42 AUの領域はその一例である。[144]

これらの空の領域内には、太陽系の年齢分だけ天体が生き残ることができる軌道が存在します。これらの共鳴は、海王星の軌道周期が天体の軌道周期の正確な分数、たとえば 1:2 または 3:4 のときに発生します。たとえば、天体が海王星の 2 周ごとに太陽の周りを 1 周すると、海王星が元の位置に戻るまでにその天体は半周しか完了しません。カイパーベルトで最も密度の高い共鳴は 2:3 共鳴で、200 を超える天体が知られています[145]。この共鳴にある天体は海王星の 3 周ごとに 2 周し、既知のカイパーベルト天体の中で最大の冥王星が含まれるため、プルティノと呼ばれています [146]。冥王星は海王星の軌道を定期的に横切りますが、2:3 共鳴があるため、両者が衝突することはありません。[147] 3:4、3:5、4:7、2:5の共鳴はあまり一般的ではありません。[148]

海王星には、太陽と海王星のL 4およびL 5ラグランジュ点（それぞれ海王星の軌道の先頭と後尾にある重力的に安定な領域）の両方を占めるトロヤ群天体が多数知られています。 [149]海王星のトロヤ群は、海王星と1:1の共鳴状態にあると見ることができます。一部の海王星トロヤ群は軌道上で非常に安定しており、海王星に捕獲されたのではなく、海王星と一緒に形成された可能性があります。海王星の後尾のL 5ラグランジュ点に関連することが確認された最初の天体は、2008 LC 18でした。[150]海王星には一時的な準衛星である(309239) 2007 RW 10があります。[151]この天体はおよそ12,500年間海王星の準衛星であり、今後12,500年間はその動的状態を維持するだろう。[151]

衛星

この画像には、海王星とその衛星であるトリトン、ガラテア、ナイアデス、タラッサ、デスピナ、プロテウス、ラリサが写っている。
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が捉えた海王星の多数の衛星の注釈付き画像。明るい青色の回折星は、海王星最大の衛星トリトンです。

海王星には16の衛星が知られている。[152] トリトンは海王星最大の衛星であり、海王星の周りを公転する質量の99.5%以上を占め、[i]球形になるほど重い唯一の衛星である。トリトンは、海王星自体の発見からわずか17日後にウィリアム・ラッセルによって発見された。太陽系の他のすべての大きな惑星の衛星とは異なり、トリトンは逆行軌道を描いている。これは、その場で形成されたのではなく、捕獲されたことを示している。おそらく、かつてはカイパーベルトの準惑星だったのだろう。 [153]トリトンは海王星に十分近いため同期自転に固定されており、潮汐加速のためにゆっくりと内側に螺旋状に動いている。最終的には約36億年後、ロッシュ限界に達すると引き裂かれるだろう。[154] 1989年、トリトンは太陽系で観測された中で最も冷たい天体であり、[155]推定温度は38 K（-235 °C）でした。[156] [157]この非常に低い温度は、トリトンの非常に高いアルベドによるもので、太陽光を吸収するのではなく、多くの光を反射します。[158] [159]

海王星の2番目に知られている衛星（発見順）である不規則衛星ネレイドは、太陽系の衛星の中で最も軌道離心率の高い衛星の一つです。離心率は0.7512で、遠点距離は海王星からの近点距離の7倍になります。[j]

1989年7月から9月にかけて、ボイジャー2号は海王星の6つの衛星を発見した。[160]これらのうち、不規則な形をしたプロテウスは、その密度の天体が自身の重力によって球形に引き寄せられることなく可能な限り大きくなっていることで有名である。[161]海王星の衛星の中では2番目に重いが、トリトンの質量のわずか0.25%である。 海王星の最も内側の4つの衛星、ナイアデ、タラッサ、デスピナ、ガラテアは、海王星の環の中に入るのに十分近い軌道を回っている。次に遠いラリサは、1981年に恒星を掩蔽しているときに最初に発見された。この掩蔽は環の弧によるものと考えられていたが、 1989年にボイジャー2号が海王星を観測した際に、ラリサが原因であることがわかった。 2002年から2003年の間に発見された5つの新しい不規則衛星は2004年に発表されました。[162] [163] 2013年には、ハッブル宇宙望遠鏡の複数の画像を組み合わせることで、新しい衛星であり、これまでで最小の衛星であるヒッポカンプスが発見されました。 [164]ネプチューンはローマ神話の海の神であったため、ネプチューンの衛星には下級の海の神にちなんで名付けられています。[54]

惑星の環

2022年にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で赤外線で観測された海王星の環と衛星。

海王星には惑星環系があるが、土星や天王星ほど大きくはない。[165]環はケイ酸塩または炭素系物質で覆われた氷の粒子でできていると考えられ、それが赤みがかった色をしている可能性が高い。[166] 3つの主要な環は、海王星の中心から63,000 km離れた狭いアダムス環、53,000 kmのルヴェリエ環、そして42,000 kmにあるより広くて暗いガレ環である。ルヴェリエ環から外側にわずかに伸びた部分はラッセルと名付けられ、その外縁は57,000 kmのアラゴ環と接している。[167]

これらの惑星のリングの最初のものは、1968年にエドワード・ギナン率いるチームによって検出されました。[32] [168] 1980年代初頭、このデータの分析と新しい観測結果から、このリングは不完全である可能性があるという仮説が立てられました。[169]リングに隙間があるかもしれないという証拠は、1984年の恒星掩蔽のときに初めて現れました。このとき、リングは恒星に沈むときには恒星を覆い隠しましたが、沈むときには恒星を覆い隠しませんでした。 [170] 1989年のボイジャー2号からの画像は、いくつかのかすかなリングを見せることで、この問題を解決しました。

最外殻のアダムス環には、現在「勇気」「自由」「平等」 「友愛」と名付けられた5つの顕著な弧が含まれています。[171]弧の存在は、運動の法則から、弧は短期間で均一な環へと広がると予測されるため、説明が困難でした。天文学者は現在、環のすぐ内側に位置する衛星ガラテアの重力の影響によって、弧が現在の形に引き寄せられていると推定しています。 [172] [173]

2005年に発表された地球観測によると、海王星の環はこれまで考えられていたよりもはるかに不安定であることが示唆された。 2002年と2003年にWMケック天文台から撮影された画像は、ボイジャー2号の画像と比較して、環の著しい減衰を示している。特に、リベルテ弧はわずか1世紀で消滅する可能性があるとみられる。[174]

観察

2022年、水瓶座の星々の前を移動する海王星

海王星は1980年から2000年の間に季節の変化により約10％明るくなりました。[175]海王星は2042年に近日点に近づくにつれて明るくなり続ける可能性があります。見かけの等級は現在7.67から7.89で、平均は7.78、標準偏差は0.06です。[18] 1980年より前は、この惑星は8.0等級と暗かったです。[18]海王星は肉眼で見るには暗すぎます。木星のガリレオ衛星、準惑星 ケレス、小惑星 ベスタ4、パラス2、イリス7、ジュノー3、ヘーベ6に光が当たらないことがあります。[176]望遠鏡や強力な双眼鏡を使用すると、海王星は天王星に似た小さな青い円盤として見えます。[177]

地球から海王星までの距離のため、その角直径はわずか2.2～2.4 秒角であり[8] [20]、太陽系の惑星の中では最小である。見かけの大きさが小さいため、肉眼で研究するのは困難である。ハッブル宇宙望遠鏡と補償光学（AO）を備えた地上の大型望遠鏡が登場するまでは、ほとんどの望遠鏡データは非常に限られていた。 [178] [179] [180]補償光学を使用した地上望遠鏡による海王星の最初の科学的に有用な観測は、1997年にハワイから開始された。[181]現在、海王星は近日点（太陽に最も近づく地点）に近づいており、温度が上昇していることが示されており、その結果、大気活動と明るさが増加している。技術の進歩と相まって、補償光学を備えた地上望遠鏡は、ますます詳細な海王星の画像を記録している。ハッブル宇宙望遠鏡と地球上の補償光学望遠鏡は、1990年代半ば以降、太陽系内で多くの新たな発見をもたらし、外惑星の既知の衛星や衛星の数が大幅に増加しました。2004年と2005年には、直径38キロメートルから61キロメートルの海王星の新たな小型衛星が5つ発見されました。[182]

地球から見ると、海王星は367日ごとに見かけの逆行運動をしており、衝のたびに背景の星々に対してループ運動をします。このループ運動により、海王星は2010年4月と7月、そして2011年10月と11月には1846年の発見座標に近づきました。[135]

海王星の公転周期は164年で、黄道十二星座を一周するのに平均13年かかります。2011年、海王星は発見以来初めて太陽の周りを一周し、水瓶座イオタ星の北東で最初に発見された場所に戻りました。[43]

海王星の電波観測は、連続放射と不規則バーストの両方の源であることを示している。どちらの放射源も、海王星の回転磁場に由来すると考えられている。[88]赤外線スペクトルでは、海王星の嵐は冷たい背景に対して明るく見えるため、これらの特徴の大きさと形状を容易に追跡することができる。[183]

探検

1977年8月20日から2000年12月30日までの ボイジャー2号の軌道を示すアニメーション  ボイジャー2号 ·   地球 ・   木星  ·   土星 ·   天王星 ·   海王星 ·   太陽

ボイジャー2号は海王星を訪れた唯一の宇宙船です。この宇宙船が海王星に最も接近したのは1989年8月25日です。海王星は宇宙船が訪れることができる最後の主要惑星であったため、軌道への影響を顧みず、衛星トリトンに接近することが決定されました。これは、ボイジャー1号が土星とその衛星タイタンに接近した際に行われたのと同様です。ボイジャー2号から地球に中継された画像は、 1989年のPBSの終夜番組「ネプチューン・オールナイト」の題材となりました。 [184]

接近中、探査機からの信号が地球に到達するまでに246分を要した。そのため、ボイジャー2号のミッションは、海王星接近のための事前設定されたコマンドに大きく依存していた。探査機は8月25日に海王星の大気圏から4,400km以内に接近する前に、衛星ネレイドとの接近接近を行い、同日遅くには海王星最大の衛星トリトンの近くを通過した。[185]

探査機は惑星を取り囲む磁場の存在を確認し、その磁場が中心からずれ、天王星の磁場と同様に傾いていることを発見した。海王星の自転周期は電波放射の測定によって決定され、ボイジャー2号は海王星が驚くほど活発な気象システムを持っていることを明らかにした。6つの新しい衛星が発見され、惑星には複数の環があることが示された。[160] [185]このフライバイにより、海王星の質量が初めて正確に測定され、従来の計算よりも0.5%少ないことが判明した。この新たな数値は、未発見の惑星Xが海王星と天王星の軌道に作用しているという仮説を否定した。[186] [187]

2018年以来、中国国家航天局は、暫定的に神索（ Shensuo）と呼ばれる2機のボイジャー型恒星間探査機の構想を研究している。[188]両探査機は2020年代に打ち上げられ、異なる経路で太陽圏の両端を探査する。2機目の探査機IHP-2は、2038年1月に海王星を通過し、雲頂からわずか1,000km上空を通過し、接近中に放出される大気衝突物を搭載する可能性がある。[189]その後、同探査機はカイパーベルト全体にわたって、これまで未探査であった太陽圏尾部に向けて ミッションを継続する。

ボイジャー2号とIHP-2号のフライバイの後、海王星系の科学探査の次のステップは軌道ミッションであると考えられています。ほとんどの提案はNASAによって行われ、その多くはフラッグシップ・オービターでした。[190] 2003年には、NASAの「ビジョン・ミッション研究」において、カッシーニレベルの科学研究を行う「海王星オービター・ウィズ・プローブ」ミッションの提案がありました。[191]その後の提案は、 2019年に打ち上げられるフライバイ宇宙船アルゴで、木星、土星、海王星、そしてカイパーベルト天体を訪問する予定です。焦点は、2029年頃に調査される海王星とその最大の衛星トリトンに置かれる予定でした。[192]

提案されたニューホライズンズ2号ミッションは海王星系に接近フライバイを行う可能性があったが、後に廃案となった。現在ディスカバリー計画に提案中のトライデント宇宙船は海王星とトリトンにフライバイを行う予定であったが[193]、ディスカバリー15号と16号には選定されなかった。ネプチューン・オデッセイは海王星周回衛星と大気探査機の別の構想であり、NASAが大型戦略科学ミッションの可能性として研究していた。2031年から2033年の間に打ち上げられ、2049年までに海王星に到着する予定だった[194]。しかし、ロジスティクス上の理由から、氷巨星周回衛星ミッションの推奨としては天王星オービター・アンド・プローブ・ミッションが選ばれ、エンケラドゥス・オービランダーよりも優先された[195]。

トリトンをターゲットとした海王星周回衛星ミッションの2つの注目すべき提案は、トライデントとオデッセイミッション（ニューフロンティアプログラム）のちょうど中間の費用で計画されているトリトンオーシャンワールドサーベイヤーとノーチラスであり、それぞれ2031年から2047年と2041年から2056年の期間に巡航段階が行われる。[196] [197]海王星は、2058年に到着する可能性がある中国の天問5号の潜在的なターゲットである。 [198]

参照

注記

  1. ^ 海王星の暗黒点は恒久的な特徴ではない。ボイジャー2号によって観測された大きな暗黒点は「1989年大暗黒点」としてGDS-89と命名された。
  2. ^ 軌道要素は、海王星の重心と太陽系の重心を指します。これらは、 J2000年における正確な瞬間接触値です。重心の値は、惑星中心とは異なり、衛星の運動によって日々顕著な変化を受けないため、示されています。
  3. ^ abcdefg 1 bar (100 kPa) の大気圧のレベルを指します
  4. ^ 1気圧以下の容積に基づく
  5. ^ 2つ目のシンボル、「LV」モノグラム⯉「Le Verrier」の略で、「H」のモノグラムに類似している♅天王星を表す。フランス以外ではあまり使われておらず、現在では時代遅れとなっている。
  6. ^ 英語ではゲルマン神話の神エルダの名である「地球」を除けば、これは正しいと主張する人もいるだろう。国際天文学連合（IAU）の方針では、地球と月は、その言語で一般的に使用されているどのような名前で呼んでもよいとされている。IAUによると、「テラ」と「ルナ」は地球とその月の正式名称ではない。「天体の命名」。国際天文学連合。2024年3月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年4月27日閲覧。
  7. ^ 地球の質量は5.9722 × 1024kg  、質量比は
    天王星の質量は8.6810 × 1025  kg、質量比
    木星の質量は1.8986 × 1027  kgで、質量比は
    質量値は、ウィリアムズ、デイビッド・R. (2007年11月29日) による。「惑星ファクトシート – メートル法」NASA。2014年9月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年3月13日閲覧。
  8. ^ 最後の3つの遠日点は30.33 AU、次の遠日点は30.34 AUです。近日点は29.81 AUでさらに安定しています。[130]
  9. ^ トリトンの質量: 2.14 × 1022  kg。海王星の他の12個の既知の衛星の合計質量: 7.53 × 1019 kg、つまり0.35%です。リングの質量は無視できるほど小さいです。
  10. ^

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参考文献

さらに読む

  • マイナー、エリス・D.；ウェッセン、ランディ・R.（2002年）『海王星：惑星、環、そして衛星』Springer -Praxis社刊、天文学・宇宙科学関連書籍。ロンドン、ニューヨーク：Springer。ISBN 978-1-85233-216-7。
  • スタンデージ、トム（2000年）『ネプチューン・ファイル：天文学的競争と惑星探査のパイオニアたちの物語』ニューヨーク：ウォーカー社、ISBN 978-0-8027-1363-6。
ウィキメディア コモンズには、海王星 (惑星) に関連するメディアがあります。
  • NASAの海王星ファクトシート 2010年7月1日アーカイブWayback Machine
  • ビル・アーネットのnineplanets.orgより海王星
  • Neptune Astronomy Cast のエピソード 63 には、完全なトランスクリプトが含まれています。
  • NASA太陽系探査サイトにおける海王星のプロファイル（2002年11月15日アーカイブ）
  • 海王星とその内側の衛星のインタラクティブな3D重力シミュレーション。2020年9月22日アーカイブ。Wayback Machineにて。