Generalità: Urano e Nettuno completano la serie dei pianeti gassosi all’interno della quale vi sono anche Giove e Saturno. Questi giganti hanno uno schema strutturale simile anche se non identico e, tra le caratteristiche comuni, possiedono tutti e quattro degli anelli che orbitano attorno al loro piano equatoriale, anche se solo quelli di Saturno sono così visibili e splendenti. Poiché le orbite di Nettuno e di Plutone si intersecano, ci sono dei periodi in cui non è Plutone il pianeta più lontano dal Sole ma Nettuno. Urano fu osservato per la prima volta nel 1781 e Nettuno solo nel 1846. Entrambi sono stati scoperti quindi dopo l’invenzione del telescopio, a distanza di una sessantina d’anni l’uno dall’altro. I due pianeti sono di recente acquisizione; quindi Nettuno, in particolare, è stato scoperto in seguito a complessi studi matematici sulle orbite degli altri corpi del Sistema Solare. La loro scoperta ha dimostrato l’importanza delle influenze gravitazionali su scala planetaria e le potenzialità della matematica anche in campo astronomico, legata cioè a fenomeni reali.
La storia delle scoperte: L’astronomo inglese di origini tedesche William Herschel scoprì Urano nel 1781, mentre era alla ricerca di stelle doppie con il suo telescopio di 120 cm di apertura. Osservando un astro che mostrava un disco, egli pensò che si trattasse di una cometa, ma un anno più tardi Lexelle e Barnaba Oriani mostrarono come la sua orbita fosse quasi circolare e ne dedussero che si trattava di un pianeta. La scoperta fu confermata dallo stesso Herschel che, nel 1787, scoprì due satelliti di Urano: Titania e Oberon. Dapprima dedicato da Herschel al re Giorgio III d’Inghilterra, il pianeta fu in seguito ribattezzato Urano dal nome della divinità greca. La scoperta di Nettuno fu invece realizzata a tavolino prima che al telescopio. Già agli inizi del XIX secolo gli astronomi si erano accorti di incongruenze tra i dati tratti dall’osservazione dell’orbita di Urano e quelli previsti dai calcoli. Si diffuse l’idea che queste differenze fossero dovute all’influenza gravitazionale di un altro pianeta posto ancora più lontano dal Sole. Quasi contemporaneamente Adams a Cambridge e Le Verrier a Parigi calcolarono la presunta posizione dell’ottavo pianeta e nel 1846 Galle osservò con il telescopio un corpo proprio là dove i due astronomi avevano predetto dovesse trovarsi il nuovo pianeta. Anche Nettuno era stato scoperto!
Una particolarità di Urano: Una caratteristica di Urano consiste nell’inclinazione del suo asse di rotazione. Unico tra tutti i pianeti del Sistema Solare, infatti, ha l’asse di rotazione così inclinato da risultare quasi coincidente col piano dell’eclittica; il polo nord si trova addirittura al di sotto del piano orbitale. Queste caratteristiche uniche fanno sì che da Terra i poli di Urano siano visibili alternativamente per metà del periodo di rivoluzione, cioè per 42 anni, visto che un’orbita viene completata dal pianeta in circa 84 anni. Il motivo che ha portato ad una così strana situazione non è ancora chiarito: l’ipotesi più probabile è quella dell’urto con un altro corpo celeste. Questa collisione potrebbe spiegare l’insolita collocazione dell’asse di rotazione, anche se il modello proposto non è in grado di spiegare completamente tutte le evidenze osservative.
Struttura interna: La struttura interna è simile e risulta grosso modo la stessa di quella degli altri due giganti gassosi, Giove e Saturno. La loro densità è comparabile a quella di Giove, ma la loro massa molto inferiore ha impedito la formazione all’interno dei pianeti di idrogeno metallico liquido. Al di sotto di uno strato più esterno formato da idrogeno ed elio si trova infatti una regione ricca di ammoniaca, di metano e altri composti con carbonio e azoto, oltre a idrogeno ed elio molecolari. Al centro dei due pianeti vi sarebbe un nucleo roccioso.
Le atmosfere dei due pianeti: Le atmosfere dei due pianeti, pur presentando una composizione simile, hanno però dinamiche diverse che sono causa del loro differente aspetto. Il disco di Urano appare uniforme con una prevalenza di tinte verdastre e azzurre e solo raramente è solcato da piccole nubi biancastre. Il suo colore è dovuto all’assorbimento della luce solare da parte dell’idrogeno e del metano, che assorbono nel rosso e nell’infrarosso, lasciando passare solo il verde e l’azzurro. La posizione inusuale dell’asse di rotazione determina una insolazione maggiore delle regioni polari rispetto a quelle equatoriali, anche se la sua lontananza dal Sole fa sì che questa diversa insolazione provochi una variazione della temperatura di pochissimi gradi (circa 7 °K). Le formazioni nuvolose sono poco numerose e i venti alle latitudini medie spirano nella stessa direzione dei paralleli, e nello stesso verso di rotazione del pianeta e si muovono a poco più di 600 km/h. Quelli che si formano alle latitudini minori invece sono più deboli, circa 360 km/h, e spirano in direzione contraria a quella di rotazione. L’atmosfera di Nettuno è al contrario caratterizzata da un’attività maggiore e da grandi macchie che perdurano per lungo tempo. Ne è un esempio la Grande Macchia Scura posta a una latitudine di 31° sud e delle dimensioni della Terra. Questa formazione ciclonica si estende per quasi 10.000 km e impiega circa 10 giorni per compiere una rotazione completa in senso antiorario. Al centro della grande macchia è presente un ammasso di nubi bianche che la fanno assomigliare a un enorme occhio; una seconda macchia, più piccola, è situata a 54° e presenta le stesse caratteristiche della prima. L’atmosfera è percorsa da venti fortissimi che soffiano a più di 2000 km/h e si muovono in senso contrario alla rotazione, creando una struttura a bande screziate lungo i paralleli da est verso ovest, la velocità di questi venti diminuisce verso i poli. Il colore azzurro che caratterizza il pianeta è dovuto alla presenza nella sua atmosfera di metano, che assorbe la radiazione rossa; oltre al metano sono presenti anche idrogeno ed elio. Nell’atmosfera di Nettuno si trovano cirri argentei che si estendono per migliaia di chilometri e raggiungono un’altezza di 50 km. Le nubi sono composte di metano condensato che, per effetto della radiazione solare, si scinde in etilene ed acetilene. Questi ultimi ricadono negli strati profondi dove si scaldano e quindi evaporano trasformandosi nuovamente in metano. Nettuno inoltre possiede una fonte di calore interna molto forte perché la sonda Voyager 2 ha confermato che esso emette una quantità d’energia che è quasi il triplo di quella assorbita dal Sole, che è molto lontano. Questo potrebbe spiegare anche la differenza di attività tra le atmosfere dei due pianeti. Il calore prodotto dalle regioni centrali di Nettuno causa dei moti convettivi che sono a loro volta all’origine dei forti venti esistenti nell’atmosfera. Urano invece è l’unico tra i quattro giganti gassosi a non avere una fonte di calore interna e questo spiegherebbe la quasi totale assenza di perturbazioni che lo contraddistingue.
Campi magnetici: Entrambi i pianeti possiedono un campo magnetico significativo, anche se quello di Nettuno risulta essere la metà di quello di Urano. I due campi hanno in comune una strana caratteristica: l’asse del campo magnetico non solo non coincide con quello di rotazione, ma l’angolo che i due assi formano è per tutti e due molto elevato: esso rappresenta i valori più alti di tutto il Sistema Solare. Mentre infatti gli altri pianeti hanno l’asse magnetico che differisce di pochi gradi da quello di rotazione, quelli di Urano distano di 55° e quelli di Nettuno distano di 47°. Grazie anche ai dati forniti dalla sonda Voyager 2 siamo riusciti a scoprire che l’origine del campo magnetico sia per Urano sia per Nettuno non si trova nelle regioni centrali del pianeta, ma in uno strato al di sopra del nucleo roccioso. Nel caso del primo si è visto che la sorgente si trova a un terzo del raggio, nel secondo a metà del raggio del pianeta. La causa del campo magnetico è sempre la stessa e cioè la presenza di una massa fluida in continuo movimento, moto dovuto alla rotazione.
Gli anelli: Come gli altri pianeti gassosi, Urano e Nettuno hanno degli anelli che orbitano attorno al loro piano equatoriale. Gli anelli di Urano sono molto scuri (come quelli di Giove) ma (come quelli di Saturno) sono composti da particelle con diametro variabile da qualche metro a dimensioni microscopiche come la polvere. Al momento sono stati scoperti 11 anelli tutti molto deboli, il più brillante dei quali è conosciuto con il nome di anello Epsilon. Gli anelli di Urano sono stati i primi ad essere osservati (dalla superficie terrestre) dopo quelli di Saturno; questa scoperta ha avuto un’importanza considerevole perché ha rafforzato nella comunità scientifica l’idea che gli anelli erano una caratteristica comune dei pianeti e non una peculiarità di Saturno. Nettuno possiede un sistema di quattro anelli, due principali e due più deboli, e un disco di materiale diffuso che si estende fino alla parte più esterna dell’atmosfera e che contiene molta più materia di quelli di Giove. Le occultazioni stellari avevano indotto gli osservatori a Terra a ipotizzare l’esistenza di archi non chiusi in orbita attorno a Nettuno, ma la sonda Voyager 2 ha mostrato che in realtà si tratta di strati più densi all’interno di uno degli anelli principali.
I satelliti di Urano: La traiettoria di Voyager 2 ha permesso di riprendere fotografie dei satelliti principali di Urano ed è stato così possibile conoscerne le caratteristiche principali. Tutte le lune hanno la velocità di rotazione uguale a quella di rivoluzione e quindi rivolgono sempre la stessa faccia al pianeta. Le immagini di Oberon, il satellite maggiore, hanno evidenziato la presenza di una montagna alta 6000 m, moltissimo se si pensa che il suo raggio è di meno di 800 km. Anche Titania presenta una caratteristica sproporzionata alle sue dimensioni: la sua superficie è solcata infatti da fratture larghe fino a 100 km e lunghe parecchie centinaia di chilometri. I dettagli migliori sono stati osservati su Miranda. La sonda è passata a circa 30.000 km rilevando due diversi tipi di terreno, uno più antico con moltissimi crateri e l’altro molto più recente e meno accidentato. In generale sulla superficie sono presenti diversi strati sovrapposti che testimoniano una passata attività tettonica.
I satelliti di Nettuno: Il satellite più grande di Nettuno è Tritone, che è anche l’unico a muoversi in senso retrogrado: il suo verso di percorrenza dell’orbita attorno al pianeta avviene in senso contrario a quello di Nettuno. Dato che anche il movimento di rotazione è retrogrado e avviene alla medesima velocità, Tritone mostra sempre la stessa faccia a Nettuno; il piano della sua orbita non coincide con quello di tutti gli altri satelliti ed è inclinato di 20° rispetto a quello dell’equatore del pianeta. Il passaggio della sonda ha permesso di scoprire i componenti dell’atmosfera di Tritone. Essa, infatti, risulta costituita da azoto e metano. Sulla sua superficie, inoltre, sarebbero presenti pochi crateri. Per un caso molto fortunato al passaggio della navicella era in corso un’eruzione con particelle lanciate a qualche chilometro di altezza nell’atmosfera.
Osservare Urano e Nettuno a occhio nudo: Anche se in teoria Urano, con la sua magnitudine di 5,5, dovrebbe essere visibile anche a occhio nudo, in pratica non è stato mai notato se non da Herschel nel 1781 con un piccolo telescopio. Anche Nettuno è invisibile senza l’uso di uno strumento, sia pure di dimensioni ridotte.
Con un telescopio: Nonostante sia possibile seguire i movimenti in cielo di Urano con un binocolo, è solo con un telescopio che è possibile vedere il caratteristico disco verde e azzurro. Sia per Urano che per Nettuno anche i telescopi più grandi sulla superficie terrestre non riescono a distinguere nessun particolare.