Найчастіше доводиться обчислювати збурювання гравітаційного поля за відомим розташуванню інших тіл. При дослідженні траєкторії Урана завдання стояло протилежна: знаючи збурювання, необхідно було знайти місце викликає їх планети. Цю задачу вирішили астроном Левер'є і вчений Адамс. Тільки одними математичними розрахунками, вони вказали місце на небі, де повинна знаходитися невідома планета. Коли на це місце астроном Галле направив телескоп, то знайшов нову планету. Так відбулося відкриття людьми планети - Нептун.
Це відкриття ще раз доводило, що теорія будови Всесвіту створена Коперником вірна, факт виявлення Нептуна виключно за розрахунками підтвердив правильність ньютоновских формул, на яких були засновані всі розрахунки в астрономії.
Деякий час після відкриття Нептун позначався просто як «зовнішня від Урана планета» або як «планета Леверье». Першим, хто висунув ідею про офіційне найменування, був Галле, який запропонував назву Янус. В Англії Чайлз запропонував іншу назву: Океан.
У римській міфології Нептун - бог моря і відповідає грецькому Посейдону.
З масою в 1,0243 × тисяча двадцять шість кг Нептун є проміжною ланкою між Землею і великими газовими гігантами. Його маса в 17 разів перевершує земну, але становить лише 1/19 від маси Юпітера. Екваторіальний радіус Нептуна дорівнює 24,764 км, що майже в 4 рази більше земного. Нептун і Уран часто вважаються подклассом газових гігантів, який називають «крижаними гігантами» через їх меншого розміру і більшої концентрації летючих речовин. При пошуку екзопланет Нептун використовується як МЕТОН: виявлені екзопланети зі схожою масою часто називають «Нептун», також часто астрономи використовують як МЕТОН Юпітер: ( «Юпітери»).
2.1 Внутрішня будова
Внутрішня будова Нептуна нагадує внутрішню будову Урана. Атмосфера становить приблизно 10-20 відсотків від загальної маси планети, і відстань від поверхні до кінця атмосфери становить 10-20% відстані від поверхні до ядра. Поблизу ядра тиск може досягати 10 гігапаскалів. Об'ємні концентрації метану, аміаку і води знайдені в нижніх шарах атмосфери.
Внутрішня будова Нептуна:
1. Верхня атмосфера, верхні хмари
2. Атмосфера, що складається з водню, гелію і метану
3. Мантія, що складається з води, аміаку та метанового льоду
4. Кам'яно-крижане ядро
На глибині 7000 кілометрів умови такі, що метан розкладається на алмазні кристали, які «падають» на ядро. Ядро Нептуна складається з заліза, нікелю і силікатів. Ядро, як вважають, важить в 1,2 рази більша за Землю. Тиск в центрі досягає 7 мегабар, що в мільйони разів більше, ніж на поверхні Землі. Температура в центрі, можливо, сягає 5400 кельвінів.
При тиску між одним і п'ятьма барами, як вважають, формуються хмари аміаку і сульфіду водню. При тискові більше 5 барів хмари можуть складатися з того ж аміаку, сульфіду амонію, сульфіду водню і води. Більш глибоко, при тиску в приблизно 50 бар, можуть бути хмари з водяного льоду, там температура дорівнює 0 C °, не виключено, що і там можуть бути знайдені хмари з аміаку і сульфіду водню. Висотні хмари Нептуна спостерігалися по відкидає ними тіням на непрозорий хмарний шар нижче рівнем. Серед них виділяються хмарні смуги, які «обгортали» навколо планети на постійній широті. У цих периферичних груп ширина сягає 50-150 кілометрів, і знаходяться вони на 50-110 км вище основного хмарного шару. Вивчення спектра Нептуна дозволяє припускати, що його нижча стратосфера затьмарена через конденсації продуктів ультрафіолетового фотолізу метану, таких, як етан і ацетилен. У стратосфері також виявлені сліди ціановодорода і чадного газу. Стратосфера Нептуна тепліша, ніж стратосфера Урана через більш високої концентрації вуглеводнів. З нез'ясованих причин, термосфера планети має аномально високу температуру в приблизно 750 кельвінів. Для такої високої температури планета занадто далека від Сонця, щоб воно могло так розігріти термосферу ультрафіолетовою радіацією. Можливо, це наслідок атмосферного взаємодії з іонами в магнітному полі планети. Інший кандидат на механізм розігрівання: хвилі гравітації з внутрішніх областей планети, які розсіюються в атмосфері. Термосфера містить сліди чадного газу і води, яка потрапила туди, можливо, з зовнішніх джерел, таких, як метеорити і пил.
І своєю магнітосферою, і магнітним полем, сильно нахиленим на 47 ° щодо його осі обертання, і поширюється на 0,55 від радіуса планети (приблизно 13500 км), Нептун нагадує Уран. До прибуття до Нептуну "Вояджера - 2» вчені вважали, що нахилена магнітосфера Урана була результатом його «бічного обертання». Однак після порівняння магнітних полів цих двох планет вчені тепер вважають, що така дивна орієнтація магнітосфери в просторі може бути викликана приливами у внутрішніх областях. Таке поле може з'явитися завдяки конвективним переміщенням рідини в тонкій сферичної прошарку електропровідних рідин цих двох планет (передбачувана комбінація з аміаку, метану і води), що приводить в дію гідромагнітна динамо. Магнітне поле на екваторіальній поверхні Нептуна оцінюється в 1,42 # 956; T протягом магнітного моменту 2,16 × 1017 Tm³. Магнітне поле Нептуна має комплексну геометрію, яка включає відносно великі прівзноси від НЕ біполярних компонетов, включаючи сильний квадрупольний момент, який за потужністю може перевищувати дипольний. На противагу - у Землі, Юпітера і Сатурна відносно невеликий квадрупольний момент, і їх поля менш відхилені від полярної осі. Головний ударна хвиля Нептуна, де магнітосфера починає сповільнювати сонячний вітер, проходить на відстані в 34,9 планетарних радіусів. Магнітопауза, де тиск магнітосфери врівноважує сонячний вітер, знаходиться на відстані в 23-26,5 радіусів Нептуна. Хвіст магнітосфери триває приблизно до відстані в 72 радіусу Нептуна, і дуже ймовірно, що набагато далі.
Одне з відмінностей між Нептуном і Ураном - рівень метеорологічної активності. «Вояджер-2», який пролітав поблизу Урана в 1986 році, зафіксував вкрай слабку активність атмосфери. На противагу Урану, Нептун демонстрував помітні погодні зміни під час зйомки з «Вояджер-2» в 1989 році.
3.2 Внутрішнє тепло
Більш різноманітна погода на Нептуні, в порівнянні з Ураном, як вважають, - наслідок більш високої внутрішньої температури. При цьому Нептун в два рази віддаленим від Сонця, ніж Уран, і отримує лише 40% від сонячного світла, який отримує Уран. Поверхневі ж температури цих двох планет приблизно рівні. Верхні області тропосфери Нептуна досягають вельми низької температури в -221,4 ° C. На глибині, де тиск дорівнює 1 бару, температура досягає -201,15 ° C. Глибше йдуть гази, однак температура стійко підвищується. Як і з Ураном, механізм нагріву невідомий, але невідповідність велике: Уран випромінює в 1,1 більше енергії, ніж отримує від Сонця. Нептун же випромінює в 2,61 рази більше, ніж отримує від Сонця. Незважаючи на те, що Нептун - сама далека планета від Сонця, його внутрішньої енергії досить для наявності найшвидших вітрів в Сонячній системі. Пропонується кілька можливих пояснень, включаючи радіогенний нагрів ядром планети (як Земля нагрівається калієм-40, наприклад), дисоціація метану в інші ланцюгові вуглеводні в умовах атмосфери Нептуна, а також конвекція в нижній частині атмосфери, яка призводить до гальмування хвиль гравітації над тропопаузою.
Сидеричний період обертання для Нептуна дорівнює 16,11 годин. Внаслідок осьового нахилу, схожого із земним (23 °), зміни в сидеричних періоді обертання протягом його довгого року не є значущими. Оскільки Нептун не має твердої поверхні, його атмосфера схильна до диференціального обертання. Широка екваторіальна зона обертається з періодом приблизно 18 годин, що повільніше, ніж 16,1-годинне обертання магнітного поля планети. На противагу екватора, полярні області обертаються за 12 годин. Це одна з відмінних рис Нептуна - серед усіх планет Сонячної системи таке обертання найбільш яскраво виражено саме у нього. І це призводить до сильного широтному зсуву вітрів.
Симуляція зовнішніх планет і пояса Койпера: а) До того як Юпітер і Сатурн вступили в резонанс 2: 1; б) Розсіювання об'єктів пояса Койпера в Сонячній системі після зміни орбіти Нептуна; c) Після викидання тел пояса Койпера Юпітером.
Для формування крижаних гігантів - Нептуна і Урану - виявилося важко створити точну модель. Сучасні моделі вважають, що щільність матерії у зовнішніх регіонах Сонячної системи була занадто низькою для формування таких великих тел традиційно прийнятим методом акреції матерії на ядро. Щоб пояснити еволюцію Урана і Нептуна, було висунуто безліч гіпотез.
Одна з них вважає, що обидва крижаних гіганта не сформувалися методом акреції, а з'явилися через нестабільності всередині початкового протопланетного диска, і пізніше їх атмосфери були «списані» випромінюванням масивної зірки класу O або B.
Інша концепція полягає в тому, що Уран і Нептун сформувалися близько до Сонця, де щільність матерії була вище, і згодом перемістилися на поточні орбіти. Гіпотеза переміщення Нептуна користується популярністю, тому що дозволяє пояснити поточні резонанси в поясі Койпера, особливо, резонанс 2: 5. Коли Нептун рухався назовні, він стикався з об'єктами прото-пояса Койпера, створюючи нові резонанси і хаотично міняючи існуючі орбіти. Вважається, що об'єкти розсіяного диска виявилися в поточному становищі через взаємодії з резонансами, створюваними міграцією Нептуна.
У Нептуна на даний момент відомо 13 супутників. Найбільший з них важить більше, ніж 99,5 відсотків від мас всіх супутників Нептуна, разом узятих, і лише він масивний настільки, щоб стати сфероидальним. Це Тритон, відкритий Вільямом Лассель всього через 17 днів після відкриття Нептуна. На відміну від всіх інших великих супутників планет в Сонячній системі, Тритон має ретроградної орбітою. Можливо, він був захоплений гравітацією Нептуна, а не сформувався на місці, і, можливо, коли-то був карликовою планетою в поясі Койпера. Він досить близький до Нептуну, щоб бути зафіксованим в синхронному обертанні. Через приливної прискорення Тритон повільно рухається по спіралі до Нептуну, і, в кінцевому рахунку, буде зруйнований при досягненні межі Роша, в результаті чого утворюється кільце, яке може бути більш потужним, ніж кільця Сатурна (це станеться через відносно невеликий в астрономічних масштабах період часу: від 10 до 100 мільйонів років). У 1989 році Тритон вважався найхолоднішим об'єктом у Сонячній системі, температура якого була виміряна, з передбачуваною температурою в -235 ° C (38 K). Тритон є одним з трьох супутників планет Сонячної системи, що мають атмосферу (поряд з Іо і Титаном). Вказується на можливість існування під крижаною корою Тритона рідкого океану, подібного океану Європи.
Другий (за часом відкриття) відомий супутник Нептуна - Нереїда, супутник неправильної форми з одним з найвищих ексцентриситетом орбіти серед інших супутників Сонячної системи. Ексцентриситет в 0,7512 дає їй апоапсіду, в 7 разів більшу її періапсіди.
Нептун непомітний неозброєним оком, так як його зоряна величина знаходиться між +7,7 і +8,0. Таким чином, Галілеєві супутники Юпітера, карликова планета Церера і астероїди 4 Веста, 2 Паллада, 7 Ірида, 3 Юнона і 6 Геба яскравіше його на небі. У телескоп або хороший бінокль можна побачити Нептун як невеликий блакитний диск, схожий на Уран.
Через відстані між Нептуном і Землею кутовий діаметр планети змінюється лише в межах 2,2-2,4 кутових секунд - найменше значення серед інших планет Сонячної системи. Його малий кутовий розмір створює великі труднощі для візуальних спостережень; більшість телескопічних даних про Нептуні були досить обмежені до появи Космічного телескопа «Хаббл» і великих наземних телескопів з адаптивною оптикою. У 1977, наприклад, навіть період обертання Нептуна був сумнівним.
Спостереження за Нептуном в діапазоні радіохвиль показують, що планета є джерелом безперервного випромінювання і нерегулярних спалахів. І те й інше пояснюють обертовим магнітним полем планети. В інфрачервоній частині спектра на більш холодному тлі чітко видно шторми Нептуна, що дозволяє з високою часткою вірогідності встановити їх форму і розмір, а також відстежувати їх пересування.
«Вояджер-2» підтвердив існування магнітного поля планети і встановив, що воно нахилене, як і поле Урану. Питання про період обертання планети було вирішене виміром радіовипромінювання. «Вояджер-2» також показав незвично активну погодну систему Нептуна. Було відкрито 6 нових супутників планети і кілець, яких, як виявилося, було кілька.