In de schaduw van de ijsreus Neptunus, verborgen in de gloed van de planeet zelf, bevindt zich een opmerkelijk object dat decennialang onopgemerkt bleef ondanks zijn aanzienlijke omvang. Proteus, de op één na grootste maan van Neptunus, werd pas in 1989 ontdekt door de ruimtesonde Voyager 2, een verbazingwekkende ontdekking gezien het feit dat deze maan groter is dan Nereïde, die al sinds 1949 bekend was. Deze late ontdekking illustreert de uitdagingen van het observeren van objecten dicht bij heldere planeten en onthult een fascinerende wereld die de grens markeert tussen wat kan en niet kan een bolvormige maan worden.
De Ontdekking door Voyager 2
Op 25 augustus 1989 vloog de ruimtesonde Voyager 2 door het Neptunus-systeem, het culminatiepunt van een epische reis van twaalf jaar door het buitenste zonnestelsel. Het NASA-team onder leiding van Bradford Smith analyseerde de beelden die door de ruimtesonde werden teruggestuurd en ontdekte een groot, donker object dat zich in een baan dicht bij Neptunus bevond. Dit object kreeg de voorlopige aanduiding S/1989 N 1, wat aangeeft dat het de eerste satelliet was die in 1989 bij Neptunus werd ontdekt.De ontdekking was bijzonder opmerkelijk omdat Proteus groter bleek te zijn dan Nereïde, die veertig jaar eerder door Gerard Kuiper was waargenomen. Met een gemiddelde diameter van ongeveer 420 kilometer overtreft Proteus Nereïde's 340 kilometer aanzienlijk.
De reden dat Proteus zoveel later werd ontdekt, ligt in zijn nabijheid tot Neptunus en zijn extreem lage albedo, wat de maan moeilijk waarneembaar maakt vanaf Aarde tegen de overstelpende gloed van de planeet.Tijdens de Voyager 2 ontmoeting passeerde de ruimtesonde Proteus op een afstand van ongeveer 146.000 kilometer, dichtbij genoeg voor gedetailleerde beeldvorming maar niet zo dichtbij als de 40.000 kilometer bij Triton. Toch waren de beelden revolutionair en toonden een wereld totaal verschillend van wat astronomen hadden verwacht.De naam Proteus werd gekozen naar de Griekse mythologische figuur Proteus, een vroege zeegod die de gave had om van vorm te veranderen en die dienaar was van Poseidon. Deze naamgeving past perfect in de conventie om Neptunusmanen te vernoemen naar figuren uit de mythologie rondom Poseidon en de zee. De naam werd in 1991 officieel goedgekeurd door de Internationale Astronomische Unie.Naast Proteus ontdekte Voyager 2 vijf andere manen in het Neptunus-systeem: Larissa, Despina, Galatea, Thalassa en Naiad. Deze ontdekkingen brachten het totaal aantal bekende Neptunusmanen op dat moment op acht en demonstreerden de complexiteit van het innerlijke maansysteem dat vanaf Aarde vrijwel onzichtbaar was gebleven.
Baankenmerken en Positie
Proteus beweegt in een nagenoeg perfecte cirkelbaan rond Neptunus op een gemiddelde afstand van 117.647 kilometer van het centrum van de planeet. Dit plaatst de maan binnen de Roche-limiet voor een vloeibaar lichaam, het punt waarop getijdenkrachten een object van water of los materiaal uiteen zouden trekken. Proteus kan echter overleven omdat het een solide, rotsachtig-ijzig lichaam is met voldoende interne sterkte om de getijdenkrachten te weerstaan.De omlooptijd van Proteus bedraagt 1,122315 dagen, wat neerkomt op ongeveer 26 uur en 56 minuten. Deze relatief korte periode reflecteert de nabijheid van de maan tot Neptunus. De baansnelheid bedraagt ongeveer 7,6 kilometer per seconde, aanzienlijk sneller dan de meeste afgelegen manen maar typisch voor objecten zo dicht bij hun planeet.De excentriciteit van de baan is uitzonderlijk laag, slechts 0,00053, wat betekent dat de baan vrijwel perfect cirkelvormig is. Deze circulariteit is kenmerkend voor reguliere manen die zijn ontstaan uit de protoplanetaire schijf rond Neptunus en onderscheidt Proteus duidelijk van onregelmatige manen zoals Nereïde met zijn extreme excentriciteit van 0,75.De inclinatie van Proteus' baan ten opzichte van het equatoriale vlak van Neptunus bedraagt slechts 0,524 graden, wat bevestigt dat de maan zich nagenoeg precies in het equatoriale vlak bevindt. Deze lage inclinatie is opnieuw consistent met vorming uit een circumplanetaire schijf en staat in schril contrast met de 7,2 graden inclinatie van Nereïde of de extreme 157 graden retrograde baan van Triton.Proteus verkeert in gebonden rotatie met Neptunus, wat betekent dat dezelfde zijde altijd naar de planeet is gericht. De rotatieperiode komt dus exact overeen met de omlooptijd: 1,122315 dagen. Deze synchrone rotatie is het resultaat van getijdenkrachten die de rotatie van de maan over miljoenen jaren hebben vertraagd tot deze vergrendelde toestand.
Fysieke Eigenschappen en Vorm
Proteus heeft een gemiddelde diameter van ongeveer 420 kilometer, maar deze waarde maskert de werkelijk onregelmatige vorm van het object. In plaats van een regelmatige bol heeft Proteus afmetingen van ongeveer 436 × 416 × 402 kilometer, wat resulteert in een significant aplatting. Deze onregelmatigheid plaatst Proteus net aan de grens van het zogenaamde hydrostatisch evenwicht, het punt waarop de zwaartekracht van een object sterk genoeg is om het in een bolvorm te trekken.Theoretische modellen suggereren dat objecten groter dan ongeveer 400 tot 600 kilometer in diameter voldoende zwaartekracht hebben om een sferische vorm aan te nemen, afhankelijk van hun samenstelling en interne sterkte. Proteus bevindt zich precies in deze overgangszone. Het object is groot genoeg dat het bijna bolvormig zou moeten zijn, maar blijft onregelmatig, waarschijnlijk omdat zijn samenstelling een relatief hoog aandeel stijf rotsachtig materiaal bevat dat weerstand biedt aan vervorming.De massa van Proteus wordt geschat op ongeveer 4,4 × 10¹⁹ kilogram. Deze schatting is gebaseerd op zijn volume en aangenomen dichtheid, aangezien Proteus geen eigen satellieten heeft waaruit de massa direct kan worden afgeleid. De dichtheid wordt geschat op ongeveer 1,3 gram per kubieke centimeter, wat wijst op een samenstelling van waterijs gemengd met substantieel rotsachtig materiaal, mogelijk 50 tot 60 procent van de totale massa.De oppervlaktezwaartekracht op Proteus bedraagt ongeveer 0,07 tot 0,08 meter per seconde kwadraat, vergelijkbaar met Nereïde en slechts ongeveer 0,7 procent van de aardse zwaartekracht. Een persoon die op Aarde 70 kilogram weegt, zou op Proteus ongeveer 500 gram wegen. De ontsnappingssnelheid wordt geschat op ongeveer 0,26 kilometer per seconde, extreem laag vergeleken met de aardse 11,2 kilometer per seconde.
Het Oppervlak: Een Gekraterde Wereld
De beelden van Voyager 2 onthulden een oppervlak gedomineerd door inslagkraters, wat wijst op een oud oppervlak dat miljarden jaren geologische activiteit heeft gemist. Het albedo van Proteus is bijzonder laag, slechts 0,096, wat betekent dat het oppervlak minder dan 10 procent van het invallende zonlicht reflecteert. Dit maakt Proteus een van de donkerste objecten in het zonnestelsel, vergelijkbaar met steenkool of vers asfalt.Het lage albedo suggereert dat het oppervlak bedekt is met donker materiaal, waarschijnlijk koolstofhoudende verbindingen en organische stoffen die zijn ontstaan door langdurige bestraling van koolwaterstofverbindingen door ultraviolette straling en kosmische deeltjes. Alternatief kan het donkere oppervlak bestaan uit donkere silicaatmineralen of een mengsel van rotsachtig stof en verweerd ijs.Het meest opvallende kenmerk op het oppervlak van Proteus is Pharos, een enorme inslagkrater met een diameter van ongeveer 230 tot 260 kilometer. Deze krater beslaat een aanzienlijk deel van het zichtbare oppervlak en heeft een diepte van ongeveer 10 tot 15 kilometer. Pharos is vernoemd naar het beroemde Pharos van Alexandrië, een van de Zeven Wereldwonderen van de Antieke Wereld.De grootte van Pharos is buitengewoon in verhouding tot Proteus zelf. Met een diameter van meer dan de helft van de maan, vertegenwoordigt deze krater een inslag die Proteus bijna volledig heeft vernietigd. Wetenschappers schatten dat een iets grotere inslag Proteus waarschijnlijk uiteen zou hebben doen spatten. De rand van Pharos vertoont complexe structuren met terrassen en centrale pieken, kenmerkend voor grote, complexe inslagkraters.
Naast Pharos vertoont het oppervlak talrijke kleinere kraters met diameters variërend van enkele kilometers tot tientallen kilometers. De kraterdichtheid is hoog, vergelijkbaar met de oudste terreinen op de Maan of de zwaar gekraterde hooglanden op Mars. Dit suggereert dat het oppervlak van Proteus zeer oud is, mogelijk 4 miljard jaar of ouder, daterend uit het Late Zware Bombardement dat het vroege zonnestelsel kenmerkte.Het oppervlak vertoont ook een netwerk van lineaire kenmerken, groeven en richels die mogelijk structurele zwakheden in de korst vertegenwoordigen of het resultaat zijn van tektonische activiteit vroeg in de geschiedenis van Proteus. Sommige van deze kenmerken kunnen ook verband houden met de enorme Pharos-inslag, mogelijk als gevolgen van schokgolven die zich door het lichaam verspreidden.Donkere strepen en vlekken op het oppervlak kunnen materiaal vertegenwoordigen dat langs hellingen naar beneden is gegleden, mogelijk veroorzaakt door inslagen of seismische trillingen. De lage zwaartekracht op Proteus betekent dat zelfs kleine verstoringen materiaal kunnen mobiliseren en over grote afstanden kunnen transporteren.
Inwendige Structuur
Het inwendige van Proteus is waarschijnlijk gedifferentieerd in twee of drie lagen, afhankelijk van de thermische geschiedenis en de exacte samenstelling. Met een geschatte dichtheid van ongeveer 1,3 gram per kubieke centimeter ligt Proteus tussen puur waterijs en volledig rotsachtig materiaal, wat een aanzienlijk mengsel suggereert.De meest waarschijnlijke configuratie omvat een rotsachtige kern met een radius van ongeveer 120 tot 150 kilometer, bestaande uit silicaten, ijzerhoudende mineralen en mogelijk koolstofhoudende materialen. Deze kern bevat het dichtere component dat tijdens de differentiatie naar het centrum zonk. Rond deze kern bevindt zich een mantel van waterijs, mogelijk gemengd met andere ijssoorten zoals methaan-hydraat of ammoniak-hydraten die als antigries werken en het smeltpunt van water verlagen.De vraag is of Proteus volledig gedifferentieerd is of slechts gedeeltelijk. Volledige differentiatie vereist voldoende warmte om het inwendige te smelten en het dichtere materiaal te laten scheiden van het lichtere ijs. Warmtebronnen tijdens de vorming omvatten inslagenergie van accreterend materiaal en radioactief verval van langlevende isotopen zoals uranium-238, thorium-232 en kalium-40.Theoretische modellen suggereren dat een object van de grootte van Proteus waarschijnlijk voldoende warmte heeft gegenereerd voor minstens gedeeltelijke differentiatie.
De initiële accretie in de protoplanetaire schijf rond Neptunus zou aanzienlijke kinetische energie hebben vrijgemaakt, en radioactief verval zou deze warmte hebben aangevuld. Over honderden miljoenen jaren zou dit voldoende zijn geweest om het inwendige tot smelttemperatuur te brengen.Het is echter onwaarschijnlijk dat Proteus ooit een subsurface oceaan heeft gehad of momenteel heeft. De relatief kleine omvang betekent dat de maan snel warmte verliest aan de ruimte. Zonder een significante bron van getijdenopwarming, zoals ervaren wordt door manen als Io of Enceladus in resonante banen, zou het inwendige van Proteus binnen enkele honderden miljoenen tot een miljard jaar zijn bevroren.Het volledig bevroren inwendige verklaart het gebrek aan geologische activiteit op het oppervlak. Anders dan Triton, dat actieve geisers vertoont, of Enceladus met zijn cryovulkanische pluimen, lijkt Proteus geologisch dood te zijn. Het oppervlak is onveranderd gebleven behalve door externe inslagen, wat consistent is met een volledig gestold inwendige zonder convectie of vulkanisme.
Oorsprong en Vorming
In tegenstelling tot Triton en mogelijk Nereïde, is Proteus vrijwel zeker een reguliere maan die is ontstaan uit de protoplanetaire schijf rond Neptunus. De nagenoeg cirkelvormige, equatoriale baan is kenmerkend voor manen die samen met hun planeet zijn gevormd uit de gas- en stofschijf die Neptunus omgaf tijdens zijn formatie. De vorming van Proteus vond waarschijnlijk plaats in de vroege stadia van het zonnestelsel, ongeveer 4,5 miljard jaar geleden. Materiaal in de circumplanetaire schijf rond Neptunus accumuleerde geleidelijk door botsingen en gravitationele attractie, waarbij grotere objecten kleinere opnamen in een proces van hiërarchische accretie. Proteus groeide uit dit proces als een van de grotere objecten in het innerlijke maansysteem. De samenstelling van Proteus, een mengsel van waterijs en rotsachtig materiaal, reflecteert de beschikbare materialen in de buitenste regio's van het zonnestelsel waar Neptunus zich vormde. Op deze afstand van de Zon waren temperaturen voldoende laag voor waterijs om te condenseren, en de maan incorporeerde zowel silicaatmineralen als ijsdeeltjes uit de schijf.
De vraag is waarom het innerlijke maansysteem van Neptunus relatief klein is vergeleken met die van Jupiter, Saturnus of Uranus. Deze planeten hebben allen families van grote, reguliere manen die aanzienlijk massaler zijn dan het gehele Neptunus-maansysteem. De totale massa van alle innerlijke Neptunusmanen, inclusief Proteus, bedraagt slechts een fractie van de massa van een enkele Galileïsche maan. De meest waarschijnlijke verklaring ligt in de invanging van Triton. Toen deze massieve maan het Neptunus-systeem binnendrong op een retrograde, excentrische baan, veroorzaakten de enorme getijdenkrachten en gravitationele verstoringen catastrofale effecten op het bestaande maansysteem. Computersimulaties suggereren dat de meeste oorspronkelijke manen ofwel in Neptunus stortten, ofwel het systeem ontsnapten, of met elkaar botsten en werden vernietigd. Proteus zou een "tweede generatie" maan kunnen zijn, gevormd uit het puin van vernietigde eerdere manen nadat Triton's baan circulariseerde. Alternatief zou Proteus een overlevende van het oorspronkelijke systeem kunnen zijn die geluk had en de chaos overleefde. De hoge kraterdichtheid op het oppervlak suggereert een oud oppervlak, consistent met beide scenario's.
