il sistema solare in immagini – parte X – nettuno ed i suoi satelliti

Nettuno

Nettuno è l’ottavo e più lontano pianeta del Sistema solare partendo dal Sole. Si tratta del quarto pianeta più grande, considerando il suo diametro, e il terzo se si considera la sua massa. Nettuno ha 17 volte la massa della Terra ed è leggermente più massiccio del suo quasi-gemello Urano, la cui massa è uguale a 15 masse terrestri, ma è meno denso rispetto a Nettuno. Scoperto la sera del 23 settembre 1846 da Johann Gottfried Galle dell’Osservatorio astronomico di Berlino e Heinrich Louis d’Arrest, uno studente di astronomia che lo assisteva, Nettuno fu il primo pianeta ad essere stato trovato tramite calcoli matematici più che attraverso regolari osservazioni: cambiamenti insoliti nell’orbita di Urano indussero gli astronomi a credere che vi fosse, all’esterno, un pianeta sconosciuto che ne perturbava l’orbita. Il pianeta fu scoperto entro appena un grado dal punto previsto. La luna Tritone fu individuata poco dopo, ma nessuno degli altri tredici satelliti naturali di Nettuno fu scoperto prima del XX secolo. Il pianeta è stato visitato da una sola sonda spaziale, la Voyager 2 che transitò vicino ad esso il 25 agosto 1989.

Neptune Full.jpg

Nettuno fotografato dalla Voyager 2, da circa 7 milioni di km, attraverso i filtri arancione e verde.

Nettuno ha una composizione simile a quella di Urano ed entrambi hanno composizioni differenti da quelle dei più grandi pianeti gassosi Giove e Saturno. Per questo sono talvolta classificati in una categoria separata, i cosiddetti “giganti ghiacciati”. L’atmosfera di Nettuno, sebbene simile a quelle sia di Giove che di Saturno essendo composta principalmente da idrogeno ed elio, possiede anche maggiori proporzioni di “ghiacci”, come acqua, ammoniaca e metano, assieme a tracce di idrocarburi e forse azoto. In contrasto, l’interno del pianeta è composto essenzialmente da ghiacci e rocce come il suo simile Urano. Le tracce di metano presenti negli strati più esterni dell’atmosfera contribuiscono a conferire al pianeta il suo colore azzurro intenso.

In this false color image of Neptune, objects that are deep in the atmosphere are blue, while those at higher altitudes are white. The image was taken by Voyager 2's wide-angle camera through an orange filter and two different methane filters.

sopra e sotto due immagini in falsi colori della Voyager 2 ottenuta con l’utilizzo di filtri per il metano che ne rivela la presenza nell’atmosfera del pianeta in corrispondenza dei colori bianco e rosso brillante.

This false color photograph of Neptune was made from Voyager 2 images taken through three filters: blue, green, and a filter that passes light at a wavelength that is absorbed by methane gas.

Nettuno possiede i venti più forti di ogni altro pianeta nel Sistema Solare. Sono state misurate raffiche a velocità superiori ai 2 100 km/h. All’epoca del sorvolo da parte della Voyager 2, nel 1989, l’emisfero sud del pianeta possedeva una Grande Macchia Scura comparabile con la Grande Macchia Rossa di Giove; la temperatura delle nubi più alte di Nettuno era di circa −218 °C, una delle più fredde del Sistema solare, a causa della grande distanza dal Sole. La temperatura al centro del pianeta è di circa 7000 °C, comparabile con la temperatura superficiale del Sole e simile a quella del nucleo di molti altri pianeti conosciuti. Il pianeta possiede inoltre un debole sistema di anelli, scoperto negli anni sessanta ma confermato solo dalla Voyager 2.

Osservazione

Nettuno è invisibile ad occhio nudo dalla Terra; la sua magnitudine apparente, sempre compresa fra la 7,7 e la 8,0, necessita almeno di un binocolo per permettere l’individuazione del pianeta.

Nettuno visto dal telescopio Hubble nel campo del visibile

Visto attraverso un grande telescopio, Nettuno appare come un piccolo disco bluastro dal diametro apparente di 2,2–2,4 secondi d’arco simile nell’aspetto ad Urano. Il colore è dovuto alla presenza di metano nell’atmosfera nettuniana, in ragione del 2%. Si è avuto un netto miglioramento nello studio visuale del pianeta dalla Terra con l’uso del Telescopio spaziale Hubble e dei grandi telescopi a terra con ottiche adattive. Le immagini migliori ottenibili dalla Terra permettono oggi di individuarne le formazioni nuvolose più pronunciate e le regioni polari, più chiare del resto dell’atmosfera. Con strumenti meno precisi è impossibile individuare qualsiasi formazione superficiale del pianeta, ed è preferibile dedicarsi alla ricerca del suo satellite principale, Tritone.

composizione artistica basata sulle foto della Voyager 2 che mostra il pianeta, i suoi anelli ed il suo satellite Tritone

Ad osservazioni nelle frequenze radio, Nettuno appare essere la sorgente di due emissioni: una continuata e piuttosto debole, l’altra irregolare e più energetica, che si ritengono entrambe generate dal campo magnetico rotante del pianeta. Le osservazioni nell’infrarosso esaltano le formazioni nuvolose del pianeta, che brillano luminose sullo sfondo più freddo, e permettono di determinarne agevolmente le forme e le dimensioni.

Evoluzione del pianeta in tre scatti del telescopio Hubble

Fra il 2010 ed il 2011 Nettuno ha completato la sua prima orbita attorno al Sole dal 1846, quando venne scoperto da Johann Galle, ed è stato quindi osservabile in prossimità delle coordinate a cui è stato scoperto.

Storia delle osservazioni

La prima osservazione certa di Nettuno fu effettuata da Galileo Galilei, il 27 dicembre 1612, che disegnò la posizione del pianeta sulle proprie carte astronomiche scambiandolo per una stella fissa. Per una coincidenza fortuita, in quel periodo il moto apparente di Nettuno era eccezionalmente lento, perché proprio quel giorno aveva iniziato a percorrere il ramo retrogrado del suo moto apparente in cielo, e non poteva essere individuato mediante i primitivi strumenti di Galilei. Qualche giorno dopo, il 4 gennaio 1613, si verificò addirittura l’occultazione di Nettuno da parte di Giove: se Galileo avesse continuato ancora per qualche giorno le sue osservazioni, avrebbe dunque osservato la prima occultazione dell’era telescopica. La scoperta del pianeta dovette invece aspettare fino alla metà del XIX secolo, come detto, e già il 10 ottobre 1846, dopo diciassette giorni dalla scoperta di Nettuno, l’astronomo inglese William Lassell scoprì il suo principale satellite Tritone. Alla fine dell’Ottocento fu ipotizzato che presunte irregolarità osservate nel moto di Urano e Nettuno derivassero dalla presenza di un altro pianeta più esterno. Dopo estese campagne di ricerca, Plutone fu scoperto il 18 febbraio 1930 alle coordinate previste dai calcoli di William Henry Pickering e Percival Lowell per il nuovo pianeta. A causa della sua grande distanza le conoscenze su Nettuno rimasero frammentarie almeno fino alla metà del Novecento quando Gerard Kuiper scoprì la sua seconda luna, Nereide. Negli anni settanta e ottanta si accumularono indizi sulla probabile presenza di anelli o archi di anelli. Nel 1981 Harold Reitsema scoprì il suo terzo satellite Larissa. Nell’agosto 1989 le conoscenze ricevettero una enorme spinta in avanti dal sorvolo della prima sonda automatica inviata ad esplorare i dintorni del pianeta, la Voyager II. La sonda individuò importanti dettagli dell’atmosfera del pianeta, confermò l’esistenza di ben cinque anelli ed individuò nuovi satelliti oltre a quelli già scoperti dalla Terra.

Missioni

L’unica sonda spaziale ad aver visitato Nettuno è stata la Voyager 2, nel 1989; con un sorvolo ravvicinato del pianeta la Voyager ha permesso di individuarne le principali formazioni atmosferiche, alcuni anelli e numerosi satelliti. Il 25 agosto 1989 la sonda ha sorvolato il polo nord di Nettuno ad una quota di 4.950 km per poi dirigersi verso Tritone, il satellite maggiore, raggiungendo una distanza minima di circa 40.000 km.

Sono allo studio da parte della NASA due possibili missioni: un orbiter, il cui lancio non è previsto prima del 2040 ed una sonda che effettuerebbe un fly-by del pianeta per proseguire verso due o tre oggetti della fascia di Kuiper, il cui lancio potrebbe avvenire nel 2019.

Parametri orbitali e rotazione

Il pianeta compie una rivoluzione attorno al Sole in circa 164,79 anni. Con una massa pari a circa 17 volte quella terrestre ed una densità media di 1,64 volte quella dell’acqua, Nettuno è il più piccolo e più denso fra i pianeti giganti del sistema solare. Il suo raggio equatoriale, ponendo lo zero altimetrico alla quota in cui la pressione atmosferica vale 1 000 hPa, è di 24.764 km. L’orbita di Nettuno è caratterizzata da un’inclinazione di 1,77° rispetto al piano dell’eclittica e da un’eccentricità di 0,011. In conseguenza di ciò la distanza tra Nettuno ed il Sole varia di 101 milioni di chilometri tra perielio ed afelio, i punti dell’orbita in cui il pianeta è rispettivamente più vicino e più lontano al Sole.

Nettuno compie una rotazione completa intorno al proprio asse in circa 16,11 ore. L’asse è inclinato di 28,32° rispetto al piano orbitale, valore simile all’angolo d’inclinazione dell’asse della Terra (23°) e di Marte (25°). Di conseguenza i tre pianeti sperimentano cambiamenti stagionali simili. Tuttavia il lungo periodo orbitale implica che su Nettuno ciascuna stagione abbia una durata di circa quaranta anni terrestri. Poiché Nettuno non è un corpo solido, la sua atmosfera presenta una rotazione differenziale: le ampie fasce equatoriali ruotano con un periodo di circa 18 ore, superiore al periodo di rotazione del campo magnetico del pianeta che è pari a 16,1 ore; le regioni polari invece completano una rotazione in 12 ore. Nettuno presenta la rotazione differenziale più marcata del sistema solare che origina forti venti longitudinali.

Oggetti transnettuniani

Le nuove scoperte di moltissimi corpi celesti nel sistema solare esterno hanno portato gli astronomi a coniare un nuovo termine, oggetto transnettuniano, che designa qualsiasi oggetto orbitante oltre l’orbita di Nettuno (o comunque formatosi in quella regione).

Il diagramma mostra le risonanze orbitali nella Fascia di Kuiper causate da Nettuno: nelle regioni evidenziate orbitano gli oggetti con una risonanza 2:3 con Nettuno (i plutini), gli oggetti classici della Fascia di Kuiper (i cubewani) e gli oggetti con una risonanza 1:2 con Nettuno (i twotini).

Nettuno ha un impatto profondo sulla regione subito oltre la sua orbita, da 30 UA fino a 55 UA dal Sole e conosciuta come fascia di Kuiper, un anello di piccoli mondi ghiacciati simile alla Fascia principale degli asteroidi, ma molto più vasto. Così come la gravità di Giove domina la Fascia principale, definendone la forma, così la gravità di Nettuno domina completamente la Fascia di Kuiper. Nel corso della storia del Sistema solare, la gravità di Nettuno ha destabilizzato alcune regioni della Fascia, creandovi dei vuoti. La zona compresa tra 40 e 42 UA ne è un esempio.

All’interno di queste regioni vuote esistono tuttavia orbite seguendo le quali alcuni oggetti hanno potuto sopravvivere nei miliardi di anni che hanno portato all’attuale struttura del Sistema solare. Queste orbite presentano fenomeni di risonanza con Nettuno, cioè gli oggetti che le percorrono completano un’orbita intorno al Sole in una precisa frazione del periodo orbitale di Nettuno. Se un corpo completa una propria orbita per ogni due orbite di Nettuno avrà completato metà della sua orbita ogni volta che il pianeta ritorna alla sua posizione iniziale e quindi sarà sempre dall’altra parte rispetto al Sole. La popolazione di oggetti risonanti più numerosa, con più di 200 oggetti noti, presenta una risonanza 2:3 con il pianeta. Tali oggetti, che completano un’orbita per ogni orbita e mezzo di Nettuno, sono stati chiamati plutini dal nome del più grande fra essi, Plutone. Sebbene Plutone attraversi l’orbita di Nettuno regolarmente, la risonanza garantisce che essi non potranno mai collidere. Un altro importante gruppo della Fascia di Kuiper è quello dei twotini, che sono caratterizzati da una risonanza 2:1; ci sono poi oggetti che presentano anche altri rapporti di risonanza, ma non sono molto numerosi. Altri rapporti che sono stati osservati comprendono: 3:4, 3:5, 4:7 e 2:5.

È curioso osservare che a causa dell’alta eccentricità dell’orbita di Plutone, periodicamente Nettuno viene a trovarsi più lontano dal Sole di quest’ultimo, come è accaduto fra il 1979 ed il 1999. Nettuno possiede inoltre un certo numero di asteroidi troiani, che occupano le regioni gravitazionalmente stabili che precedono e seguono il pianeta sulla sua orbita ed identificate come L4 e L5. Gli asteroidi troiani sono spesso descritti anche come oggetti in risonanza 1:1 con Nettuno. Sono notevolmente stabili nelle loro orbite ed è improbabile che siano stati catturati dal pianeta, ma si ritiene piuttosto che si siano formati con esso.

Formazione e migrazione

La formazione dei giganti ghiacciati, Nettuno e Urano, è difficile da spiegare con esattezza. I modelli correnti suggeriscono che la densità di materia delle regioni più esterne del Sistema solare fosse troppo bassa per formare corpi così grandi tramite il metodo tradizionalmente accettato dell’accrezione e sono state avanzate varie ipotesi per spiegare la loro evoluzione. Una è quella secondo cui i giganti ghiacciati non si siano formati tramite l’accrezione del nucleo, ma dalle instabilità dell’originario disco protoplanetario e, in seguito, la loro atmosfera sarebbe stata spazzata via dalle radiazioni di una stella massiccia di classe spettrale O B molto vicina. Un concetto alternativo è quello secondo cui si formarono più vicini al Sole, dove la densità di materia era più elevata, e poi migrarono verso le attuali orbite.

 
Simulazione dei reciproci rapporti tra i pianeti esterni e la Fascia di Kuiper secondo il modello di Nizza: a) Prima della risonanza Giove/Saturno 2:1 b) Spostamento degli oggetti della Cintura di Kuiper nel sistema solare dopo lo slittamento dell’orbita di Nettuno c) Dopo l’espulsione dei corpi della Fascia di Kuiper ad opera di Giove

L’ipotesi della migrazione è favorita dalla sua caratteristica di poter spiegare le attuali risonanze orbitali nella Fascia di Kuiper, in particolare la risonanza 2:5. Come Nettuno migrò verso l’esterno, si scontrò con gli oggetti della proto-fascia di Kuiper, creando nuove risonanze e mandando in caos le altre orbite. Gli oggetti nel disco diffuso si crede che siano stati spinti nelle attuali posizioni da interazioni con le risonanze create dalla migrazione di Nettuno. Il modello detto di Nizza suggerisce che la migrazione di Nettuno nella Fascia di Kuiper potrebbe essere stata provocata dalla formazione di una risonanza 1:2 nelle orbite di Giove e Saturno, che creò una spinta gravitazionale che mandò sia Urano che Nettuno verso orbite più alte causando così il loro spostamento. L’espulsione risultante di oggetti dalla proto-fascia di Kuiper potrebbe anche spiegare l’intenso bombardamento tardivo avvenuto circa 600 milioni di anni dopo la formazione del Sistema solare e la comparsa degli asteroidi Troiani.

Massa e dimensioni

Con una massa di 1,0243 × 1026 kg Nettuno è un corpo intermedio fra la Terra ed i grandi giganti gassosi: la sua massa è diciassette volte quella della Terra, ma è appena un diciannovesimo di quella di Giove. Il raggio equatoriale del pianeta è di 24.764 km, circa quattro volte maggiore di quello della Terra. Nettuno ed Urano sono spesso considerati come una sottoclasse di giganti, chiamata “giganti ghiacciati”, a causa delle loro dimensioni inferiori e alla più alta concentrazione di sostanze volatili rispetto a Giove e Saturno. Nella ricerca di pianeti extrasolari Nettuno è stato usato come termine di paragone: i pianeti scoperti con una massa simile sono detti infatti “pianeti nettuniani”, così come gli astronomi si riferiscono ai vari “pianeti gioviani”.

Le dimensioni della Terra e di Nettuno a confronto

Struttura interna

La struttura interna di Nettuno ricorda quella di Urano; la sua atmosfera forma circa il 5-10% della massa del pianeta, estendendosi dal 10 al 20% del suo raggio, dove raggiunge pressioni di circa 10 gigapascal. Nelle regioni più profonde sono state trovate concentrazioni crescenti di metano, ammoniaca e acqua.

1. Atmosfera superiore, sommità delle nubi. 2. Atmosfera inferiore, costituita da idrogeno, elio e gas metano. 3. Mantello d’acqua, ammoniaca e metano ghiacciato. 4. Nucleo di roccia e ghiaccio.

Risultato immagine per nettuno nasa

Gradualmente questa regione più calda e oscura condensa in un mantello liquido surriscaldato, dove le temperature raggiungono valori compresi fra i 2 000 K ed i 5 000 K. Il mantello possiede una massa di 10-15 masse terrestri ed è ricco di acqua, ammoniaca, metano ed altre sostanze. Come è solito nelle scienze planetarie, questa mistura è chiamata “ghiacciata”, sebbene sia in realtà un fluido caldo e molto denso. Questo fluido, che possiede un’elevata conducibilità elettrica, è talvolta chiamato “oceano di acqua e ammoniaca”. Alla profondità di 7.000 km, lo scenario potrebbe essere quello in cui il metano si decompone in cristalli di diamante e precipita verso il centro. Il nucleo planetario di Nettuno è composto da ferro, nichel e silicati; i modelli forniscono una massa di circa 1,2 masse terrestri. La pressione del nucleo è di 7 Mbar, milioni di volte superiore a quella della superficie terrestre, e la temperatura potrebbe essere sui 5 400 K.

Schema della struttura interna di Nettuno in maggior dettaglio

Calore interno

Si ritiene che le maggiori variazioni climatiche di Nettuno, comparate con quelle di Urano, siano dovute in parte al suo calore interno più elevato. Sebbene Nettuno sia distante dal Sole una volta e mezzo più di Urano e riceva quindi solo il 40% della quantità di luce, la superficie dei due pianeti è grosso modo uguale. Le regioni più superficiali della troposfera di Nettuno raggiungono la bassa temperatura di −221,4 °C. Alla profondità in cui la pressione atmosferica è pari a 1 bar la temperatura è di −201,15 °C. In profondità nello strato di gas, tuttavia, la temperatura sale costantemente; così come Urano, la sorgente di questo riscaldamento è sconosciuta, ma la discrepanza è maggiore: Urano irradia solo 1,1 volte la quantità di energia che riceve dal Sole, mentre Nettuno ne irradia 2,61 volte tanto, indicando che la sua sorgente interna di calore genera il 161% in più dell’energia ricevuta dal Sole. Nettuno è il pianeta del Sistema solare più lontano dal Sole, ma la sua sorgente interna di energia è sufficiente a causare i venti planetari più veloci visti in tutto il Sistema solare. Sono state suggerite alcune possibili spiegazioni fra le quali il calore radiogenico proveniente dal nucleo del pianeta, la dissociazione del metano in catene di idrocarburi sotto elevate pressioni atmosferiche e i moti convettivi della bassa atmosfera che causano onde di gravità che si dissolvono sopra la tropopausa.

Atmosfera

Ad alta quota, l’atmosfera di Nettuno è formata all’80% da idrogeno ed al 19% da elio, con tracce di metano. Notevoli bande di assorbimento del metano si trovano vicino alla lunghezza d’onda dei 600 nm nella parte rossa ed infrarossa dello spettro. Così come per Urano, quest’assorbimento della luce rossa da parte del metano atmosferico contribuisce a conferire a Nettuno il suo caratteristico colore azzurro intenso, sebbene il colore azzurro differisca dal più tenue acquamarina tipico di Urano. Dato che la quantità di metano contenuta nell’atmosfera di Nettuno è simile a quella di Urano, ci dev’essere qualche altra sostanza non conosciuta che contribuisca in modo determinante a conferire questa tonalità così intensa al pianeta.

Ipotesi di rotazione delle strutture nuvolose sul pianeta 

L’atmosfera di Nettuno è suddivisa in due regioni principali: la bassa troposfera, dove la temperatura decresce con l’altitudine, e la stratosfera, dove la temperatura aumenta con l’altitudine; il confine fra le due, la tropopausa si trova a circa 0,1 bar. La stratosfera dunque è seguita dalla termosfera alla pressione inferiore a 10−4−10−5 µbar. L’atmosfera sfuma gradualmente verso l’esosfera.

Composizione Atmosferica

Idrogeno (H2) 80 ± 3,2%

Elio (He) 19 ± 3,2%

Metano (CH4) 1,5 ± 0,5%

Deuteruro di idrogeno (HD) ~0,019%

Etano (C2H6) ~0,00015%

Ghiacci

Ammoniaca (NH3), Acqua (H2O), Idrosolfuro di ammonio (NH4SH), Metano (CH4)

I modelli suggeriscono che la troposfera di Nettuno sia attraversata da nubi di varia composizione a seconda dell’altitudine. Il livello superiore di nubi si trova a pressioni inferiori a 1 bar dove la temperatura è adatta alla condensazione del metano. Con pressioni fra 1 e 5 bar si crede si formino nubi di ammoniaca e acido solfidrico; oltre i 5 bar di pressione, le nubi potrebbero essere costituite da ammoniaca, solfato d’ammonio ed acqua. Le nubi più profonde di ghiaccio d’acqua potrebbero formarsi a pressioni attorno ai 50 bar, dove la temperatura raggiunge gli 0 °C. Sotto ancora si potrebbero trovare delle nubi di ammoniaca e acido solfidrico.

Foto scattata dalla Voyager 2 – Una scia di nubi d’alta quota (cirri) su Nettuno crea un’ombra sulla superficie di nubi sottostante.

Sono state osservate nubi d’alta quota su Nettuno che formano delle ombre sopra l’opaco manto nuvoloso sottostante. Ci sono anche delle bande di nubi d’alta quota che circondano il pianeta a latitudini costanti; queste bande disposte a circonferenza hanno degli spessori di 50-150 km e si trovano a circa 50-110 km sopra il manto nuvoloso sottostante.

Evoluzione della Grande Macchia Scura durante due rotazioni di Nettuno (36 ore circa). Le nubi chiare si muovono rapidamente. Esse sono composte di metano ghiacciato.

Lo spettro di Nettuno suggerisce che i suoi strati atmosferici inferiori siano nebbiosi a causa della concentrazione di prodotti della fotolisi ultravioletta del metano, come etano e acetilene; l’atmosfera contiene anche tracce di monossido di carbonio e acido cianidrico. La stratosfera del pianeta è più tiepida di quella di Urano a causa dell’elevata concentrazione di idrocarburi.

I due poli del pianeta ripresi dal telescopio Hubble

Per ragioni ancora non conosciute la termosfera planetaria possiede una temperatura insolitamente alta, pari a circa 750 K. Il pianeta è troppo lontano dal Sole perché il calore sia generato dalla radiazione ultravioletta; una possibilità per spiegare il meccanismo di riscaldamento è l’interazione atmosferica fra ioni nel campo magnetico del pianeta. Un’altra possibile causa è data dalle onde di gravità dall’interno che si disperdono nell’atmosfera. La termosfera contiene tracce di diossido di carbonio ed acqua, che potrebbero provenire da sorgenti esterne, come meteoriti e polveri.

Fenomeni meteorologici

Una differenza fra Nettuno e Urano è il livello tipico di attività meteorologica. Quando la sonda spaziale Voyager 2 sorvolò Urano, nel 1986, questo pianeta era visivamente privo di attività atmosferica. In contrasto, Nettuno mostrava notevoli fenomeni climatici durante il sorvolo della sonda, avvenuto nel 1989.

Le nubi compagne e il vortice su Nettuno (Credits: NASA, ESA, and M.H. Wong and J. Tollefson (UC Berkeley)

immagine ripresa dal telescopio Hubble – un punto nero corrispondente ad un vortice

Il tempo meteorologico di Nettuno è caratterizzato da sistemi tempestosi estremamente dinamici, con venti che raggiungono la velocità supersonica di 600 m/s. Più tipicamente, tracciando il movimento delle nubi persistenti, la velocità del vento sembra variare dai 20 m/s in direzione est fino ai 235 m/s in direzione ovest. Sulla cima delle nubi, i venti predominanti variano in velocità dai 400 m/s lungo l’equatore ai 250 m/s sui poli. Molti dei venti di Nettuno si muovono in direzione opposta rispetto alla rotazione del pianeta. Il livello generale dei venti mostra una rotazione prograda alle alte latitudini e retrograda alle basse latitudini; si ritiene che la differenza della direzione dei flussi ventosi sia un effetto superficiale e non dovuto ad alcun processo atmosferico più profondo. A 70° S di latitudine, un getto ad alta velocità viaggia a 300 m s−1. L’abbondanza di metano, etano e acetilene all’equatore di Nettuno è 10–100 volte superiore di quella dei poli; ciò è interpretato come un’evidenza della presenza di fenomeni di risalita all’equatore e di subsidenza verso i poli. Nel 2007 fu scoperto che gli strati superiori della troposfera del polo sud di Nettuno erano di circa 10 °C più tiepidi che nel resto del pianeta, con una media di circa −200 °C. Il differenziale di calore è sufficiente per consentire al gas metano, che in altri punti si gela nell’alta atmosfera del pianeta, di essere espulso verso lo spazio. Il relativo “hot spot” è dovuto all’inclinazione dell’asse di Nettuno, che ha esposto il polo sud al Sole per l’ultimo quarto di anno nettuniano, pari a circa 40 anni terrestri; similmente a quanto avviene nella Terra, l’alternanza delle stagioni farà in modo che il polo esposto al Sole sarà in seguito il polo nord, causando così il riscaldamento e la successiva emissione di metano dall’atmosfera in quest’ultimo polo. A causa del cambiamento stagionale, le bande di nubi dell’emisfero sud di Nettuno sono aumentate in dimensioni e albedo; questo processo fu osservato inizialmente nel 1980 e ci si aspetta che finirà attorno al 2020. Il lungo periodo orbitale di Nettuno causa un alternarsi stagionale in quarant’anni

Tempeste

Nel 1989 fu scoperta dalla sonda Voyager 2 la Grande Macchia Scura, un sistema di tempeste anticiclonico delle dimensioni di 13000 × 6600 km, La tempesta ricordava la Grande Macchia Rossa di Giove; tuttavia, il 2 novembre 1994, il Telescopio Spaziale Hubble non riuscì ad osservare questa macchia scura sul pianeta. Al suo posto, apparve una nuova tempesta simile alla Grande Macchia Scura nell’emisfero nord.

Immagini della Voyager 2 – sopra  La Grande Macchia Scura (al centro), Scooter (la nube bianca in mezzo), e la Piccola Macchia Scura (in basso).

sotto, la Grande Macchia Scura

 

Lo “Scooter” è un’altra tempesta, una nube bianca posta più a sud della Grande Macchia Scura; il suo nome deriva dal fatto che quando fu osservata per la prima volta nel mese precedente al sorvolo della sonda Voyager 2, si muoveva più velocemente della Grande Macchia Scura. Immagini successive rivelarono delle nubi ancora più rapide. La Piccola Macchia Scura è invece una tempesta ciclonica meridionale, la seconda tempesta più potente osservata durante il transito del 1989; inizialmente era completamente scura, ma come la sonda si avvicinò, iniziò a mostrarsi una macchia più chiara, visibile in tutte le immagini ad alta risoluzione.

Immagine in colori veri ripresa dal Voyager 2, che mostra le strutture delle nubi nelle regioni oscure vicino al polo

Si ritiene che le macchie scure di Nettuno siano posizionate nella troposfera ad altezze inferiori rispetto alle nubi più bianche e luminose del pianeta, così appaiono come dei buchi nello strato di nubi sovrastante; dal momento che sono delle strutture stabili che possono persistere per diversi mesi, si crede che possano essere delle strutture a vortice. Spesso nei pressi di queste strutture si trovano delle nubi di metano più brillanti e persistenti, che si formano presumibilmente all’altezza della tropopausa.

Immagine del pianeta in colori elaborati che mostra le differenti strutture di circolazione dei venti

Magnetosfera

Un’altra somiglianza fra Nettuno e Urano risiede nella magnetosfera, con un campo magnetico fortemente inclinato verso l’asse di rotazione di 47° e decentrato di almeno 0,55 raggi (circa 13.500 km) rispetto al nucleo fisico del pianeta. Prima dell’arrivo della sonda Voyager 2 su Nettuno, era stato ipotizzato che la magnetosfera inclinata di Urano fosse il risultato della sua rotazione obliqua; tuttavia, comparando i campi magnetici dei due pianeti, gli scienziati pensano che questa orientazione estrema potrebbe essere caratteristica dei flussi presenti all’interno dei pianeti. Questo campo potrebbe essere generato da convezioni del fluido interno in un involucro sferico sottile di liquido conduttore elettrico (probabilmente composto da ammoniaca, metano e acqua).

Il campo magnetico alla superficie equatoriale di Nettuno è stimato sui 1,42 μT, per un momento magnetico di 2,16 × 1017 Tm³ e possiede una geometria complessa che include componenti non-dipolari, incluso un forte momento quadripolo che potrebbe superare in forza pure quello dipolo. D’altra parte la Terra, Giove e Saturno hanno solo dei momenti di quadripolo relativamente piccoli e i loro campi sono meno inclinati rispetto all’asse polare. Il grande momento di quadripolo di Nettuno potrebbe essere il risultato del disallineamento dal centro del pianeta e dai vincoli geometrici del generatore della dinamo del campo.

Il bow shock di Nettuno, ossia il punto in cui la magnetosfera inizia a rallentare il vento solare, avviene alla distanza di 34,9 volte il raggio del pianeta; la magnetopausa, ossia il punto in cui la pressione della magnetosfera controbilancia il vento solare, si estende alla distanza di 23–26,5 volte il raggio di Nettuno. La coda della magnetosfera si estende all’esterno fino ad almeno 72 volte il raggio del pianeta e probabilmente molto oltre.

Anelli planetari

Risultato immagine per nettuno nasa

immagine del telescopio Hubble che mostra alcuni satelliti e gli archi di anello (la banda nera corrisponde all’occultazione della luce dal pianeta, poi riposizionato graficamente all’interno

Nettuno ha un sistema di anelli planetari tra i più sottili del Sistema solare. Gli anelli potrebbero consistere di particelle legate con silicati o materiali composti da carbonio, che conferisce loro un colore tendente al rossastro. In aggiunta al sottile Anello Adams, a 63.000 km dal centro del pianeta, si trova l’Anello Leverrier, a 53.000 km, ed il suo più vasto e più debole Anello Galle, a 42.000 km. Un’estensione più lontana di quest’ultimo anello è stata chiamata Lassell; è legata al suo bordo più esterno dall’Anello Arago, a 57.000 km.

Gli anelli di Nettuno, visti dalla Voyager 2 nel 1989.

Il primo di questi anelli planetari fu scoperto nel 1968 da un gruppo di ricerca guidato da Edward Guinan, ma si era in seguito pensato che quest’anello potesse essere incompleto. Evidenze che l’anello avrebbe avuto delle interruzioni giunsero durante un’occultazione stellare nel 1984 quando gli anelli oscurarono una stella in immersione ma non in emersione. Immagini della sonda Voyager 2 mostrarono invece che gli anelli di Nettuno erano molteplici. Questi anelli hanno una struttura a gruppi, la cui causa non è ben compresa ma che potrebbe essere dovuta all’interazione gravitazionale con le piccole lune in orbita nei pressi.

Neptune's Rings

Immagine degli anelli in grand’angolo ripresa dalla Voyager 2

L’anello più interno, Adams, contiene cinque archi maggiori chiamati Courage, Liberté, Egalité 1, Egalité 2 e Fraternité. L’esistenza degli archi è stata difficile da spiegare poiché le leggi del moto predirrebbero che gli archi verrebbero dispersi in un anello uniforme in una scala temporale molto breve. Gli astronomi ritengono che gli archi siano rinchiusi entro le loro forme attuali a causa degli effetti gravitazionali di Galatea, una luna posta all’interno dell’anello. Osservazioni condotte dalla Terra annunciate nel 2005 sembravano mostrare che gli anelli di Nettuno siano molto più instabili di quanto in precedenza creduto. Immagini prese con i Telescopi Keck nel 2002 e 2003 mostrano un decadimento considerevole negli anelli quando vengono comparati con le immagini prese dalla Voyager 2. In particolare sembra che l’arco Liberté possa dissolversi entro la fine del XXI secolo.

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sopra – Gli anelli di Nettuno, ripresi dalla Voyager 2. La banda nera al centro dell’immagine è dovuta all’occultazione della luce proveniente dal pianeta, la quale avrebbe soverchiato totalmente la debole luminosità del sistema di anelli
sotto, un anello intrecciato composto da tre o quattro filamenti di polveri che si attorcigliano tra loro
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Satelliti naturali

Nettuno possiede quattordici satelliti naturali conosciuti, il maggiore dei quali è Tritone; gli altri satelliti principali sono Nereide, Proteo e Larissa. Tritone è l’unico satellite di Nettuno a possede forma ellissoidale.

Le falci di Nettuno e Tritone, fotografate dalla Voyager 2 durante il suo allontanamento 

A parte Tritone il satellite più interessante è Nereide, la cui orbita è la più eccentrica dell’intero sistema solare. Fra il luglio ed il settembre 1989 la sonda statunitense Voyager 2 ha individuato sei nuovi satelliti fra i quali spicca Proteo, le cui dimensioni sarebbero quasi sufficienti a conferirgli una forma sferoidale. È il secondo satellite del sistema di Nettuno, pur con una massa pari ad appena lo 0,25% di quella di Tritone.

Una nuova serie di scoperte è stata annunciata nel 2004 e si tratta di satelliti minori e fortemente irregolari. Nel luglio del 2013 Mark Showalter scopre il 14º satellite, denominato S/2004 N 1, da immagini ottenute dal telescopio spaziale Hubble tra il 2004 e il 2009.

Tra le lune con massa planetaria, Tritone è l’unico satellite irregolare, con un’orbita che è retrograda rispetto alla rotazione di Nettuno e inclinata rispetto all’equatore dello stesso, il che sta ad indicare che probabilmente non si è formato con Nettuno ma ne è stato invece catturato gravitazionalmente. Il secondo satellite irregolare più grande del Sistema Solare, la luna di Saturno Febe, ha solo lo 0,03% della massa di Tritone. La cattura di Tritone, verificatasi probabilmente qualche tempo dopo la formazione del sistema satellitare, fu un evento catastrofico per i satelliti originari di Nettuno, le cui orbite subirono perturbazioni in misura tale da farli collidere fino a formare un disco di macerie. Tritone è abbastanza massiccio da aver raggiunto l’equilibrio idrostatico e da riuscire a mantenere una sottile atmosfera capace di formare nubi e foschie.

All’interno di Tritone ci sono sette piccoli satelliti regolari con orbite dirette giacenti in piani vicini al piano equatoriale di Nettuno; qualcuno orbita tra gli anelli di Nettuno. Dei sette satelliti, il più grande è Proteo. Essi si sono formati dal disco di macerie generato dopo la cattura del Tritone e dopo che l’orbita di quest’ultimo era diventata circolare. All’esterno di Tritone, ci sono altri sei satelliti irregolari, tra cui Nereide, con orbite ad alta inclinazione e molto più lontane da Nettuno: tre di essi hanno orbite dirette, mentre quelle degli altri sono retrograde. In particolare, Nereide ha un’orbita insolitamente stretta ed eccentrica per un satellite irregolare; secondo un’ipotesi, una volta era stato un satellite regolare che, alla cattura di Tritone, fu così perturbato da assumere la sua attuale posizione. I due satelliti irregolari più esterni di Nettuno, Psamate e Neso, hanno le orbite più estese di tutti i satelliti naturali scoperti fino ad oggi nel Sistema Solare.

Tritone fu scoperto da William Lassell nel 1846, solo diciassette giorni dopo la scoperta di Nettuno. Nereide fu scoperto da Gerard P. Kuiper nel 1949. La terza luna, successivamente denominata Larissa, fu osservata da Harold J. Reitsema, William B. Hubbard, Larry A. Lebofsky e David J. Tholen il 24 maggio 1981. Gli astronomi stavano osservando l’avvicinamento di una stella a Nettuno, alla ricerca di anelli simili a quelli scoperti intorno a Urano quattro anni prima. In presenza di anelli, la luminosità della stella sarebbe dovuta diminuire leggermente poco prima dell’avvicinarsi del pianeta. La luminosità della stella svanì per parecchi secondi, il che significava che era a causa di una luna piuttosto che di un anello.

Nessun’altra luna fu scoperta fino al flyby di Nettuno da parte di Voyager 2 nel 1989 che, oltre alla già scoperta Larissa, scoprì cinque lune interne: Naiade, Talassa, Despina, Galatea e Proteo. Nel 2001 due indagini che utilizzavano grandi telescopi terrestri scoprirono altre cinque lune esterne, portando il totale a tredici. I cinque satelliti, Alimede, Sao, Psamate, Laomedea, e Neso, furono nuovamente osservati nel 2002 e nel 2003. Inoltre un sesto candidato fu trovato, e in seguito perso, in un’indagine del 2002: potrebbe essersi trattato di un centauro invece di un satellite, sebbene il suo modesto spostamento da Nettuno nel giro di un mese fa pensare che si trattasse proprio di un satellite. Si stimò che avesse un diametro di 33 km e una distanza di circa 25,1 milioni di km (0,168 UA) da Nettuno.

Il 15 luglio 2013 un team di astronomi guidati da Mark Showalter del SETI Institute rivelò alla rivista Sky & Telescope di aver scoperto una quattordicesima luna nelle immagini riprese dal telescopio spaziale Hubble dal 2004 al 2009. Si ritiene che tale luna, attualmente identificata come S/2004 N 1, abbia un diametro di non più di 16–20 km.

Caratteristiche

Le lune di Nettuno possono essere suddivise in due gruppi: regolari e irregolari. Il primo gruppo comprende le sette lune interne, che seguono orbite circolari dirette giacenti nel piano equatoriale di Nettuno. Il secondo gruppo è costituito da tutte le altre lune, tra cui Tritone. Esse seguono perlopiù orbite eccentriche e inclinate, spesso retrograde e lontano da Nettuno; l’unica eccezione è Tritone, che orbita vicino al pianeta seguendo un’orbita circolare, retrograda e inclinata.

Lune regolari

In ordine di distanza da Nettuno, le lune regolari sono: Naiade, Talassa, Despina, Galatea, Larissa, S/2004 N 1, e Proteo. Naiade, la luna regolare più vicina, è anche la seconda più piccola tra le lune interne (dopo la scoperta di S/2004 N 1), mentre Proteo è la luna regolare più grande (la seconda più grande di Nettuno). Le lune interne sono strettamente associate con gli anelli di Nettuno. I due satelliti più interni, Naiade e Talassa, orbitano tra l’anello Galle e l’anello Le Verrier. Despina potrebbe essere una luna pastore dell’anello Le Verrier, in quanto la sua orbita si trova proprio all’interno di questo anello.

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l’unica immagine di Naiade, scattata dalla Voyager 2 - l’immagine è sfocata per via della lunga esposizione richiesta alla fotocamera e del contemporaneo movimento della sonda

sotto l’unica immagine di Despinascattata dalla Voyager 2 - l’immagine è sfocata per via della lunga esposizione richiesta alla fotocamera e del contemporaneo movimento della sonda

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La luna successiva, Galatea, orbita appena dentro al più importante anello di Nettuno, l’anello Adams. Questo anello è molto stretto, con una larghezza non superiore a 50 km, e ha incorporati cinque archi brillanti. La gravità di Galatea tende a confinare le particelle dell’anello in una regione limitata in direzione radiale, non permettendo così all’anello di allargarsi. Varie risonanze tra le particelle dell’anello e Galatea potrebbero anche avere un ruolo nel mantenimento degli archi.

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una immagine di Proteo, scattata dalla Voyager 2

Solo le due lune regolari maggiori sono state riprese con una risoluzione tale da riuscire a discernere la loro forma e le caratteristiche della superficie. Larissa, circa 200 km di diametro, è allungata. Proteo non è particolarmente allungato, ma neppure del tutto sferico, assomigliando a un poliedro irregolare con diverse facce piane o leggermente concave con diametro da 150 a 250 km, dovute forse a passate esperienze collisionali di Proteo, la cui superficie è fortemente craterizzata, con un certo numero di caratteristiche lineari. Il suo cratere più esteso è Pharos, che ha un diametro maggiore di 150 km. Tutte le lune interne di Nettuno sono oggetti scuri ed i loro spettri indicano che sono costituite da ghiaccio d’acqua contaminata da materiale molto scuro, probabilmente composti organici complessi. Da questo punto di vista, le lune interne nettuniane sono simili alle lune interne di Urano.

Lune irregolari

In ordine di distanza dal pianeta, le lune irregolari sono: Tritone, Nereide, Alimede, Sao, Laomedea, Neso e Psamate, un gruppo che comprende oggetti con orbite sia dirette che retrograde. Le cinque lune più esterne sono simili alle lune irregolari degli altri pianeti giganti; si ritiene che siano state catturate gravitazionalmente da Nettuno, a differenza dei satelliti regolari, che probabilmente si sono formati in situ.

Tritone e Nereide presentano alcune peculiarità. In primo luogo, essi sono le due lune irregolari più grandi nel Sistema Solare, con Tritone che è quasi un ordine di grandezza maggiore di tutte le altre lune irregolari conosciute. In secondo luogo, entrambi hanno un piccolo semi-asse maggiore, quello di Tritone essendo di oltre un ordine di grandezza minore di quelli di tutte le altre lune irregolari. In terzo luogo, entrambi hanno un’eccentricità orbitale insolita: Nereide ha una delle orbite più eccentriche di tutti i satelliti irregolari, e l’orbita di Tritone è un cerchio quasi perfetto. Infine, Nereide ha l’orbita con inclinazione minore di tutti i satelliti irregolari.

Tritone

Tritone segue un’orbita retrograda e quasi circolare. Si ritiene che sia un satellite catturato gravitazionalmente. È la seconda luna del Sistema Solare a possedere un’atmosfera significativa, composta principalmente di azoto con piccole quantità di metano e monossido di carbonio. Parleremo in seguito di questo satellite.

Nereide

Nereide è la terza luna di Nettuno per grandezza. Ha un’orbita diretta e molto eccentrica. Si ritiene che sia stato un satellite regolare, successivamente spostato nella sua orbita attuale dalle interazioni gravitazionali durante la cattura di Tritone. Tracce di ghiaccio d’acqua sono state rilevate spettroscopicamente sulla sua superficie.

Altre lune irregolari

Tra le altre lune irregolari, Sao e Laomedea seguono orbite dirette, mentre Alimede, Psamate e Neso seguono orbite retrograde. Data la somiglianza delle loro orbite, è stato proposto per Neso e Psamate un’origine comune dalla rottura di una luna più grande. Psamate e Neso hanno le orbite più estese di tutti i satelliti naturali scoperti nel Sistema Solare ad oggi. Impiegano 25 anni per orbitare Nettuno a una distanza media di 125 volte quella tra la Terra e la Luna. Nettuno ha la sfera di Hill più estesa nel sistema solare, grazie soprattutto alla sua grande distanza dal Sole; questo gli permette di mantenere il controllo di lune così lontane.

Formazione

La distribuzione della massa delle lune di Nettuno è la più sbilanciata tra quelle dei satelliti degli altri giganti gassosi del Sistema Solare. Una luna, Tritone, contribuisce per quasi tutta la massa del sistema, mentre tutte le altre lune contribuiscono insieme solo per uno 0,3 per cento circa. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che Tritone è stato catturato successivamente alla formazione del sistema satellitare originario di Nettuno, gran parte del quale potrebbe essere stato distrutto durante il processo di cattura.

Durante la fase della cattura, l’orbita fortemente eccentrica di Tritone gettò caos nelle orbite dei satelliti interni originari di Nettuno, facendoli collidere e riducendoli a un disco di macerie. Ciò significa che verosimilmente gli attuali satelliti interni di Nettuno non sono i corpi originari che si formarono insieme ad esso. Solo dopo che l’orbita di Tritone era diventata quasi circolare, alcune macerie poterono accrescere nuovamente nelle lune regolari di oggi. Questa considerevole perturbazione potrebbe essere forse la ragione per cui il sistema satellitare di Nettuno non segue il rapporto di 10.000:1 tra massa del pianeta madre e quella globale di tutte le sue lune verificato nei sistemi satellitari degli altri giganti gassosi. Il meccanismo di cattura di Tritone è stato oggetto di diverse teorie nel corso degli anni, una delle quali ipotizza che Tritone fu catturato in un incontro a tre corpi. In questo scenario, Tritone è il membro superstite di un oggetto binario della fascia di Kuiper scombussolato dal suo incontro con Nettuno.

Tritone

Tritone è il principale satellite naturale di Nettuno, ed uno dei più massicci dell’intero sistema solare, precisamente il settimo, dopo Titano, la Luna e i quattro satelliti medicei di Giove. Tritone è l’unica grande luna che orbita attorno al proprio pianeta con moto retrogrado, ad una distanza media da Nettuno di circa 355.000 km e in un periodo di poco inferiore ai sei giorni. Per la sua orbita retrograda e per la sua composizione, simile a quella di Plutone, si pensa che Tritone non si sia formato nei pressi di Nettuno ma che sia piuttosto un oggetto proveniente dalla Fascia di Kuiper.

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L’emisfero sud di Tritone, ottenuto combinando dodici immagini del pianeta ottenute dalla Voyager 2

La sua superficie è composta in gran parte da azoto ghiacciato, la crosta e il mantello da acqua congelata e il nucleo, che costituisce i due terzi della massa totale, da rocce e metalli. La superficie è relativamente giovane, in quanto è caratterizzato da un’attività geologica particolarmente intensa, con numerosi geyser visibili che eruttano azoto e una tenue atmosfera che ha una pressione di 1/70.000 di quella terrestre. Tritone è stato sorvolato da un’unica sonda spaziale, la Voyager 2, nel 1989; i dati e le immagini inviate a terra hanno permesso di stimarne con precisione i parametri fisici e orbitali, di individuarne le principali formazioni geologiche e di studiarne la tenue atmosfera.

Esplorazione spaziale

La Voyager 2 passò a 40.000 km da Tritone il 25 agosto 1989, mappando la superficie con una risoluzione di 600 metri. I dati raccolti dalla Voyager 2 permisero una stima più accurata del diametro di Tritone, pari 2706 km. Nel 1990, furono effettuate diverse osservazioni dalla Terra di Tritone sfruttando l’occultazione di alcune stelle vicine, che indicarono la presenza di un’atmosfera e una superficie esotica. Le osservazioni suggerirono che l’atmosfera era più densa di quanto indicato dalla Voyager 2.

Gli scienziati della NASA hanno identificato Tritone come un obiettivo primario per future missioni nel sistema solare, proponendo nuove missioni, come quella suggerita nel 2010, la Neptune Orbiter, che tra alcune opzioni proposte sarebbe stata dotata di un veicolo d’atterraggio dedicato allo studio di Tritone, così come fu per la Huygens che atterrò su Titano. Ad oggi, tuttavia, gli sforzi diretti all’esplorazione di Nettuno e Tritone sono stati posticipati e il finanziamento della NASA sulle missioni nel sistema solare esterno è attualmente focalizzata sui sistemi di Giove e Saturno.

Parametri orbitali

Tritone è particolare fra tutti i principali satelliti del sistema solare esterno, a causa della sua orbita retrograda attorno al pianeta. Altri satelliti minori di Giove e Saturno presentano orbite retrograde, ma sono tutti caratterizzati da un diametro inferiore al 10% di quello di Tritone. L’orbita retrograda rende evidente che Tritone non può essersi formato nella stessa regione della nebulosa solare di Nettuno, ma è con tutta probabilità un oggetto della fascia di Kuiper catturato in un secondo momento. Questo potrebbe spiegare anche l’orbita estremamente eccentrica di Nereide, così come la provenienza del calore necessario a fondere l’interno di Tritone e differenziarlo (il calore generato dalle forze di marea risultanti dalla circolarizzazione dell’orbita eccentrica avrebbe potuto mantenere Tritone liquido per circa un miliardo di anni).

L’orbita di Tritone è caratterizzata da due inclinazioni, quella di 30° propria di Nettuno e quella di 157° propria di Tritone stesso rispetto all’orbita del suo pianeta (un’inclinazione superiore a 90° indica un moto retrogrado). L’inclinazione complessiva oscilla tra 127° e 173° e attualmente ha un valore attorno a 130°. Tritone precede Nettuno nella sua orbita, con un periodo di 678 anni terrestri, corrispondenti a 4,1 anni nettuniani.

Tritone è in rotazione sincrona con Nettuno e gli mostra pertanto sempre la stessa faccia; l’equatore è quasi esattamente allineato al piano orbitale. Attualmente l’asse di rotazione di Tritone è inclinato di circa 40° rispetto al piano orbitale di Nettuno, il che comporta che durante il suo periodo di rivoluzione ciascuno dei poli punterà a un certo punto verso il Sole, come fanno anche i poli di Urano. Di conseguenza anche i poli di Tritone saranno alternativamente rivolti al Sole, variando così la loro illuminazione e innescando delle variazioni di tipo stagionale, come osservato.

A causa del moto retrogrado, le forze di marea stanno facendo lentamente decadere l’orbita di Tritone, già assai vicino a Nettuno, e si prevede che entro i prossimi 3,6 miliardi di anni entrerà nel limite di Roche del pianeta, quindi Tritone colliderà con l’atmosfera di Nettuno o andrà a formare un nuovo anello planetario attorno al pianeta. Nettuno, a causa della rotazione sincrona del satellite, rimane fisso nel cielo di Tritone, raggiungendo una dimensione apparente pari a 6º (10 volte la Luna piena vista dalla Terra).

Cattura

Le teorie sulla formazione del sistema solare indicano che i satelliti con moto retrogrado non possono formarsi nella regione della nebulosa solare dove si formano i pianeti principali, quindi Tritone proviene da un’altra regione del sistema solare, e molto probabilmente la sua origine è nella Fascia di Kuiper, un disco di piccoli oggetti ghiacciati che si estende da poco oltre l’orbita di Nettuno fino ad una distanza di 50 UA dal Sole. La Fascia di Kuiper è il luogo d’origine di molte comete a corto periodo e di alcuni oggetti più grandi, come i plutini, di cui Plutone è il prototipo e che sono in risonanza orbitale con Nettuno. Tritone è poco più grande di Plutone e la sua composizione chimica è quasi identica, il che lascia ipotizzare che la loro origine sia comune.

La cattura di Tritone da parte di Nettuno spiegherebbe alcune caratteristiche del sistema nettuniano, come la forte eccentricità orbitale di Nereide, la terza luna per dimensioni di Nettuno, e spiegherebbe anche il basso numero di satelliti naturali del pianeta rispetto agli altri giganti gassosi. Si pensa che l’orbita in origine molto eccentrica di Tritone avrebbe intersecato quelle delle altre più piccole lune, perturbandole gravitazionalmente e disperdendole dalle loro orbite originarie che avevano prima della cattura di Tritone. Durante il periodo post-cattura, l’eccentricità della sua orbita e le interazioni mareali avrebbero mantenuto Tritone allo stato liquido per un miliardo d’anni, come dimostra la differenziazione del suo interno. Successivamente, con la circolarizzazione dell’orbita la fonte di calore interno cessò.

Sono stati proposti due diversi tipi di meccanismi per la cattura di Tritone. Per essere gravitazionalmente catturato da un pianeta, un corpo di passaggio deve perdere energia sufficiente per essere rallentato ad una velocità inferiore a quella di fuga. La prima teoria è che Tritone potrebbe essere stato frenato da una collisione con un altro oggetto, molto probabilmente una luna o proto-luna in orbita attorno a Nettuno, o forse, ipotesi meno probabile, da un oggetto che transitava casualmente nel sistema nettuniano. Una ipotesi più recente e maggiormente accettata dagli astronomi suggerisce che, prima della sua cattura, Tritone avesse un compagno di massa simile al satellite di Plutone, Caronte, con la quale formava un sistema binario. Quando i due corpi si avvicinarono a Nettuno, l’energia orbitale fu trasferita da Tritone al compagno, che sarebbe stato espulso, mentre Tritone rimase legato a Nettuno. Questa ipotesi è supportata da diverse evidenze, come quella che i sistemi binari sono molto comuni tra i grandi oggetti della fascia di Kuiper. La cattura sarebbe stata breve e dolce, salvando Tritone dalla collisione. Eventi come questi potrebbero essere stati molto comuni durante la formazione di Nettuno, o più tardi, quando questi emigrò verso l’esterno del sistema solare.

Caratteristiche fisiche

Tritone è la settima luna e il sedicesimo oggetto per dimensioni del sistema solare, leggermente più grande dei pianeti nani Plutone ed Eris. La sua massa compone il 99,5% di tutta la massa nota in orbita attorno Nettuno, anelli del pianeta e le altre tredici lune conosciute comprese. Ha raggio, densità (2,061 g/cm3), temperatura e composizione chimica simile a quelle di Plutone.

dimensioni comparate tra la Terra, la Luna e Tritone

II dati sulla densità media di Tritone implicano che probabilmente è composto da circa il 30-45% di ghiaccio d’acqua, mentre il resto è materiale roccioso. Come Plutone, il 55% della superficie di Tritone è composta da azoto ghiacciato, con ghiaccio d’acqua in misura compresa tra il 15 e il 35%, più un 10-20% di ghiaccio secco (anidride carbonica ghiacciata). Sono presenti tracce di metano (0,1%) e monossido di carbonio (0,05%). Tritone ha un’albedo notevolmente alta, visto che riflette il 60-95% della luce solare che lo raggiunge. A confronto, la Luna ha un’albedo di solo 11%. Il colore rossastro si pensa derivi dal ghiaccio di metano che viene convertito in tolina sotto il bombardamento delle radiazioni ultraviolette.

Struttura interna

La superficie di Tritone indica che è stata soggetta a continui rimodellamenti nel corso del tempo e di conseguenza si pensa che la sua struttura interna sia differenziata, con un mantello sotto la crosta e un nucleo di roccia (e forse metalli) al suo interno che potrebbe contenere almeno i due terzi della massa complessiva del satellite. Esiste sufficiente roccia all’interno di Tritone per un decadimento radioattivo nel mantello, dove il calore generato potrebbe essere sufficiente a mantenere un oceano di acqua liquida come quello ipotizzato esistere sotto la superficie di Europa. Se presente, l’acqua liquida suggerirebbe la possibilità teorica della presenza della vita.

Superficie

Tutta la conoscenza della superficie di Tritone è stato acquisita con il fly-by della Voyager 2. Il 40% della superficie ripreso dalla sonda ha rivelato creste, depressioni, solchi, cavità, altipiani, pianure ghiacciate e pochi crateri d’impatto. La superficie di Tritone è relativamente piatta, la sua topografia varia al massimo di un chilometro. Recenti analisi sulla densità e distribuzione dei crateri suggeriscono che, in termini geologici, la superficie di Tritone è estremamente giovane, con le diverse regioni che hanno un’età compresa tra 50 e solo circa 6 milioni di anni.

La superficie è solcata da valli e canyon particolarmente estesi, che si intrecciano in maniera disordinata, probabilmente come risultato di un processo ciclico di scioglimento e ricongelamento e dell’attività dei criovulcani. Oltre all’azoto solido, la superficie di Tritone presenta tracce di metano, ghiaccio di monossido di carbonio, ghiaccio d’acqua e ghiaccio secco; l’albedo è quindi particolarmente elevata, e varia localmente fra 0,60 e 0,95.

La temperatura superficiale di Tritone è certamente superiore a 35,6 K, come rivela la presenza di azoto solido in forma beta-cristallina, che subisce una transizione di fase al di sotto di tale temperatura; la pressione di vapore dell’azoto gassoso presente nell’atmosfera del satellite impone un limite massimo pari a circa 41-42 K. La temperatura di Tritone risulta così addirittura inferiore a quella di Plutone, nell’ordine dei 38 K (-235 °C), nonostante il satellite sia ancora geologicamente attivo. Complessivamente, la superficie di Tritone è pari a circa il 4,5% di quella terrestre.

Attività geologica

Tritone risulta, sorprendentemente, geologicamente attivo; la sua superficie è relativamente recente e povera di crateri, e all’epoca del fly-by da parte della Voyager presentava numerosi vulcani ghiacciati e plumes nell’atto di eruttare azoto liquido, polveri o composti del metano nell’atmosfera, formando dei pennacchi alti fino ad 8 km. Tritone è, con la Terra, Io, e Encelado, uno dei pochi corpi del sistema solare dove sono state osservate eruzioni attive di qualche tipo, anche se attività vulcaniche potrebbe essere presente su Venere, Marte, Europa, Titano e Dione.

sopra – Immagine della Voyager 2 che mostra diversi punti scuri nei pressi della calotta polare meridionale, probabilmente vulcani di ghiaccio

sotto – Tuonela Planitia (a sinistra) e Ruach Planitia (al centro), due dei criovulcani di Tritone. La scarsità di crateri è la prova di una lunga attività geologica.

Si ritiene che l’attività geologica di Tritone sia innescata dal riscaldamento stagionale ricevuto dal Sole, a differenza, ad esempio, di quella di Io, che ha origine dalle forze di marea provocate dall’interazione gravitazionale con Giove. Tutti i geyser osservati infatti erano situati tra 50° e 57° S di latitudine, la parte della superficie del Tritone vicino al punto subsolare. Ciò indica che il riscaldamento solare, anche se molto debole vista la grande distanza di Tritone dal Sole, gioca un ruolo fondamentale per le eruzioni dei criovulcani. Si pensa che la superficie di Tritone sia costituita da uno strato trasparente di azoto congelato sovrastante un substrato scuro, che crea una sorta di “effetto serra solido”. La radiazione solare passa attraverso il ghiaccio superficiale, lentamente, riscaldando e vaporizzando l’azoto del sottosuolo fino a quando la pressione del gas aumenta al punto da farlo eruttare in superficie attraversando la crosta. Ogni eruzione di un geyser su Tritone può durare fino a un anno, e il materiale eruttato può essere trascinato creando strisce lunghe fino a 150 km come quelle osservate dalla Voyager. Sull’emisfero meridionale di Tritone sono visibili molte di queste strisce di materiale scuro. Tra il 1977 e il sorvolo ravvicinato della Voyager del 1989 Tritone cambiò il suo colore, da rossastro, simile a quello di Plutone, ad una tonalità molto più chiara, suggerendo che nel decennio trascorso eruzioni di azoto congelato avevano coperto il più antico materiale, di colore appunto rossastro.

Le ombre proiettate verso destra mostrano l’attività di geysers su Tritone

Calotta polare sud

La regione polare meridionale di Tritone è ricoperta da uno strato altamente riflettente di azoto e metano congelati e cosparso di crateri da impatto e geyser. Non si conosce granché delle zone nei pressi del polo nord, in quanto era sul lato in ombra durante il passaggio della Voyager 2. Tuttavia, è possibile che Tritone abbia anche una calotta polare nord.

Le alte pianure trovate sull’emisfero orientale di Tritone, come Cipango Planum, sono quasi certamente il risultato di colate di lava di ghiaccio che hanno coperto il paesaggio più antico. Le pianure sono cosparse di punti neri, come Leviathan Patera, che sono probabilmente le caldere da cui emerge la lava, che si pensa sia costituita da acqua e ammoniaca. Le pianure vicino a bordo orientale di Tritone sono punteggiate da macchie nere, chiamate maculae. Alcune maculae sono semplici macchie scure dai confini diffusi, mentre altre comprendono una macchia scura centrale circondata da un alone bianco dai confini ben marcati. Il diametro delle maculae è mediamente di circa 100 km e larghezza è tra i 20 e i 30 km. Alcuni scienziati speculano che le macule siano fenomeni transitori che avvengono nella calotta polare sud, quando si ritira durante l’estate meridionale.

Terreno a cantalupo

Il terreno a cantalupo, così chiamato perché assomiglia alla buccia di un melone, è un tipo di terreno unico nel sistema solare ed è situato nella regione chiamata Bubembe. Nonostante la scarsità generale di crateri d’impatto si pensa che questa sia la regione più antica di Tritone, dove sono presenti crateri con un diametro di 30–40 km che non sembrano tuttavia causati da impatti meteoritici, in quanto hanno tutti circa lo stesso diametro e sono piuttosto regolari. L’ipotesi più probabile sulla loro formazione chiama in causa il diapirismo, con la risalità di materiale più leggero che attraversa uno strato più denso e antico. Un’ipotesi alternativa è quella delle inondazioni causate da fenomeni di criovulcanismo.

Crateri da impatto

A causa dell’attività geologica in corso che rimodella di continuo la superficie, i crateri da impatto su Tritone sono relativamente rari. Un censimento dei crateri di Tritone ripresi dalla Voyager 2 individua solo 179 crateri che erano senza ombra di dubbio causati da un impatto, rispetto agli 835 osservati sulla luna di Urano Miranda, che ha solo il 3% della superficie di Tritone. Il più grande cratere osservato su Tritone creato da un impatto misura 27 km di diametro ed è stato chiamato Mazomba. I pochi crateri da impatto su Tritone sono quasi tutti concentrati nell’emisfero che va in direzione del moto orbitale, con la maggior parte concentrata intorno all’equatore tra i 30° e 70° di longitudine, e che derivano da impatti con materiale in orbita attorno a Nettuno.

Atmosfera

Tritone possiede una tenue atmosfera ricca di azoto, in cui sono presenti anche piccole quantità di metano e monossido di carbonio in prossimità della superficie. Come l’atmosfera di Plutone, si pensa che l’atmosfera di Tritone sia il risultato dell’evaporazione dell’azoto della superficie. La temperatura superficiale è di almeno 35,6 K (-237,6 °C), più freddo comunque rispetto alla temperatura media di Plutone, che è di 44 K (-229 °C). La sua pressione atmosferica superficiale risulta di 15×10−6 atmosfere, cioè circa 1/70.000 di quella terrestre.

Nubi riprese dalla Voyager 2 nell’atmosfera di Tritone

La turbolenza sulla superficie di Tritone crea una troposfera a un’altitudine di 8 km. Le striature sulla superficie di Tritone lasciate dai pennacchi dei geyser suggeriscono che la troposfera sia regolata da venti stagionali capaci di muovere materiale di piccolissime dimensioni, dell’ordine del micrometro. A differenza di altre atmosfere, in quella di Tritone manca la stratosfera, mentre invece è presente una termosfera da 8 a 950 km di altitudine, ed un’esosfera al di sopra di essa. La temperatura dell’atmosfera superiore di Tritone, che è di circa 95 ± 5 K, è superiore a quella superficiale, a causa del calore assorbito dalla radiazione solare e della magnetosfera di Nettuno.  Una foschia avvolge la maggior parte della troposfera del Tritone, e si crede sia composta in gran parte da idrocarburi e nitrili creati dall’azione della luce solare sul metano. L’atmosfera di Tritone possiede anche nubi di azoto condensato che si trovano tra 1 e 3 km dalla superficie.

Ciclo delle stagioni

Seguendo Nettuno nell’orbita intorno al Sole, i poli di Tritone si alternano nell’esposizione diretta alla luce solare, dando probabilmente luogo a radicali cambi stagionali, con periodiche sublimazioni delle calotte polari. All’epoca del sorvolo da parte della Voyager 2, Tritone rivolgeva verso il Sole il proprio polo sud; l’emisfero meridionale del satellite è allora apparso quasi interamente coperto da una cappa di azoto e metano ghiacciati.

Vita su Tritone?

Data la sua attività geologica e il possibile riscaldamento mareale avuto in passato dopo la sua cattura, quando aveva un’orbita estremamente eccentrica, si è ipotizzato che Tritone potrebbe teoricamente ospitare forme di vita acquatiche, in un oceano di acqua liquida mista ad ammoniaca sotto la superficie.