海王星

伽利略在1612年12月28日首次观测并描绘出海王星，并在1613年1月27日再度观测，但因为观测的位置在夜空中靠近木星（在合的位置），令这伽利略把两次观测都误认海王星是一颗恒星[16]，在伽利略第一次观测的时候，海王星在留转向逆行的位置，刚开始逆行时的运动过于微小，以至于伽利略的小望远镜查觉不出位置的改变[17]。但在2009年7月，墨尔本大学的物理学家大卫·杰美生宣称，有新的证据表明伽利略至少知道他看见的星星相对于背景的恒星有微量的相对运动[18]。

于尔班·勒威耶，以自己的计算发现海王星的人。

伽利略·伽利莱

1821年，亚历斯·布瓦出版天王星的轨道表，[19]随后的观测显示出天王星的轨道与表中的位置偏差越来越大，布瓦因此假设有摄动体存在[20]。1843年，英国数学家约翰·柯西·亚当斯计算出会影响天王星运动的第八颗行星轨道，并将计算结果送交皇家天文学家乔治·比德尔·艾里，他询问了亚当斯一些在计算上的问题，亚当斯虽然草拟答案但未曾回复。

1846年，法国工艺学院的天文学教师于尔班·勒威耶，在没有同伴的支持下，独立完成了海王星位置的推算。同年，英国的约翰·赫歇耳也开始拥护以数学的方法去搜索行星，并说服詹姆斯·查理士着手进行[20][21]。

在多次躭搁之后，查理士在1846年7月勉强开始搜索的工作；而在同时，勒威耶也说服柏林天文台的约翰·戈特弗里德·加勒搜索行星。当时仍是柏林天文台的学生达赫斯特表示他正好完成勒威耶预测天区的最新星图，可以做为寻找新行星时与恒星比对的参考图。1846年9月23日晚间海王星被发现，与勒威耶预测的位置相距不到1°[22][23]，但与亚当斯预测的位置相差12°。事后，查理士发现他在8月时已经两度观测到海王星，但因为对这件工作漫不经心而未曾进一步的核对。[20][24][25]

由于民族优越感和民族主义，这项发现在英法两国引起争议，国际间的舆论最终迫使勒威耶接受亚当斯也是共同的发现者。然而，在1998年，史学家才得以重新查看天文学家艾根遗产中的海王星文档（来自格林威治天文台的历史文档，明显是被艾根窃取近卅年，在他逝世之后才得重见天日。）[26]。在查看过这些文档之后，有些史学家认为亚当斯不应该得到如同勒威耶的殊荣。[27]

发现之后不久，海王星不是被称为“天王星外的行星”就是“勒维耶的行星”。约翰·戈特弗里德·加勒是第一位建议取名的人，他建议这颗行星称为“雅努斯”（罗马神话中看守门户的双面神）。在英国，查理士提议将之命名为“欧开诺斯”[28]；在法国，阿拉戈建议称为“勒维耶”，但在法国之外有对这提议强烈的抗议声浪[29]。法国天文年历当时以“赫歇耳”称呼天王星，并以“勒维耶”称呼这颗新发现的行星[30]。同时，在分开和独立的场合，亚当斯建议修改天王星的名称为“乔治”，而勒维耶经由经度委员会建议以“Neptune”作为新行星的名字。瓦西里·雅可夫列维奇·斯特鲁维 在1846年12月29日于圣彼得堡科学院挺身而出支持勒维耶建议的名称。[31]很快，海王星成为国际上公认的新名称。在罗马神话中的“Neptune”等同于希腊神话的“Poseidon”，都是海神，因此中文翻译为海王星。新发现的行星遵循了行星以罗马神话中的众神为名的原则[32]，而除了天王星之外，都在远古时代就被命名[33]。

在中文、韩文、日文和越南文中，该行星名称的汉字写法都是“海王星”[34][35]。在印度，这颗行星的名称是Varuna（即伐楼拿），是印度神话中的海神，与希腊-罗马神话中的Poseidon/Neptune意义是相同的。

海王星和地球大小比较。

海王星内部结构

海王星的质量是1.0243×10²⁶公斤[3]，是介于地球和类木行星（指木星和土星）之间的中等行星，它的质量既是地球的17倍，也是木星的1/18.6倍。由于它的质量小于典型的类木行星，而且密度、组成成份、内部结构也和类木行星有显着差别，因此海王星和天王星经常被归为类木行星的子类：冰巨行星，在寻找太阳系外行星的领域，海王星被用作一个通用的代号，指所发现的类似海王星质量的系外行星[36]，就如同系外“木星”的用法。

海王星内部结构和天王星相似，行星内核是一个由大概1.2倍地球质量的铁、镍和硅酸盐构成的混合体，中心压力7百万巴（7千亿帕），大概为地球中心的两倍。海王星地幔的质量相当于10到15个地球质量，富含水、氨、甲烷和其它成份[1]，是在极端高气压和极端高热的环境下形成的超临界流体，这种高导电性的流体通常也被叫作水－氨海洋[37]。

海王星内核的压力是地球表面气压的数百万倍，通过比较转速和扁率可知海王星的质量分布不如天王星集中。

大气层质量占全海王星大约5-10%，并向中心延伸10％到20％，甲烷、氨和水的含量随深度增加而上升[10]，而其温度、密度和气压也随之而不断上升，进而逐渐过渡成为极炽热和极稠密的地幔海洋。

在高海拔处，海王星的大气层由80%的氢和19%的氦组成[10]，也存在着微量甲烷。主要的吸收带出现在600纳米以上波长的红色至红外线的光谱位置。与天王星一样，大气层的甲烷部分吸收了红光，使海王星呈现淡蓝色的色调[38]，因为天王星大气含有更多的浓雾，所以海王星的淡蓝色比天王星柔和的青色较蓝[39]。

詹姆斯韦伯望远镜下的海王星

海王星的大气层可以细分为两个主要的区域：低层的对流层，该处的温度随高度降低；平流层，该处的温度随着高度增加，两层边界的对流层顶气压为0.1巴（10千帕）[40]。平流层在气压低于10⁻⁵至10⁻⁴巴（1-10帕）处成为增温层[40]，并逐渐过渡为散逸层。 模型表明海王星对流层的云带成分取决于不同海拔高度的气压[41]。高海拔的云出现在气压低于1巴之处，该处的温度使甲烷可以凝结形成甲烷云。当压力在1巴至5巴（100至500千帕）时，人们认为会形成氨和硫化氢的云。压力在5巴以上时，云可能会由氨、硫化铵、硫化氢和水组成。更深处的水冰云可以在压力大约为50巴（5百万帕）处被发现，该处的温度达到0℃。在海拔更低处，可能会发现氨和硫化氢的云[42]。

结合颜色和近红外线的海王星影像，显示在它的大气层中的甲烷带，和他的4颗卫星：普罗狄斯、拉瑞莎、加勒蒂亚和迪斯比纳。

海王星高层的云带在较低层云顶形成阴影。

海王星高层的云被观察到在不透明的低层云的顶部形成阴影，高层的云也会沿着相同的纬度环绕行星。这些云环带的宽度大约在50公里至150公里[43]，并且在低层云顶之上50公里至110公里。这些云只在对流层出现，因为平流层和增温层没有天气活动。2023年8月，海王星的云层可能因太阳耀斑而消失[41]。哈勃太空望远镜和地面望远镜通过三十年的观测表明，海王星的云活动与太阳周期有关，而非行星自己的季节性变化。[44][45]

海王星的可见光光谱表明，由于甲烷被紫外线光解后的产物（乙烷和乙炔）凝结[10][40]，使得平流层低层出现雾气。平流层也含有微量的一氧化硫和氰化氢[40][46]。海王星的平流层因为碳氢化合物（烃）的浓度较高，因此会比天王星的平流层温暖[40]。

天王星的热成层有着大约750K的异常高温，其原因至今还不清楚[47][48]。因为这颗行星与太阳的距离太遥远，不可能是从太阳来的紫外线辐射产生的高温。一个可能的假设是行星的磁场与离子产生交互作用；另一个假设是来自行星内部的重力波在大气层中消耗而产生热量。热成层包含微量二氧化碳和水，其来源可能来自外部，例如陨石和宇宙尘埃[42][46]。

海王星有着与天王星类似的磁层，它的磁场相对自转轴有着达47°的倾斜，并且磁场中心偏离行星中心至少0.55半径（偏离质心13,500 公里）。在航海家2号抵达海王星之前，天王星的磁层倾斜被假设是因为它侧向自转的结果，但通过比较这两颗行星的磁场，科学家现在认为这种极端的指向可能是行星内部流体的特征。这个现象可能是海王星地函中的导电流体（可能是氨、甲烷和水的混合体）[42]分层出稳定壳层及不稳定的热对流壳层，较薄的对流壳层之发电机效应产生的磁层特征与地球磁场不同，才造成磁极偏移的结果。[49]，由于内部巨大的压力，这些导电体有可能是金属氢[50][51]，甚至可能有金属铵[52][53][54]等简并态物质。

海王星于磁赤道表面的磁场强度大约是14 微特斯拉（0.14 G）[55]。海王星的磁偶极矩大约是2.2 × 10¹⁷ T·m³（14 μT·R_N³，此处R_N是海王星的半径）。海王星的磁场具有复杂的几何结构，比如磁场强度可能超过磁偶极矩的强大四极矩。相较之下，地球、木星和土星的磁场四极矩相对磁偶极矩都非常小（0.14、0.24和0.076倍），并且相对于自转轴的倾角也都不大。海王星巨大的四极矩可能是磁场中心偏离行星中心和发电机效应受磁场偏移的几何学限制的结果[56][57]。

航海家2号在极紫外线和无线电频率下的测量表明，海王星拥有微弱，复杂和独特的极光，但因观测时间所限，并未以红外线探测。天文学家随后使用哈勃太空望远镜，并没有看到极光，与天王星清晰的极光形成鲜明对比[58][59]。

海王星的弓形震波，在磁层开始减缓太阳风的速度，发生在距离行星半径34.9倍之处。在磁层顶，磁层的压力抵销太阳风，磁层顶位于23-26.5倍海王星半径之处，磁尾至少延伸至72倍的海王星半径，并且还会伸展至更远[56]。

海王星的大气层在光谱中呈淡蓝色，仅比天王星大气层的蓝色饱和度稍高。这两颗行星的早期伪色图片极大地夸大了海王星的颜色，使其在天王星的灰蓝色面前显得更加深蓝。这两颗行星也是用不同的摄像系统拍摄的，因此很难直接比较合成的图像。而且天文摄影设备对光谱的响应与人眼也有一定区别。之后，研究者重新审查了颜色，在2023年年底重新调整，使其标准化。[60][61]

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  原始的双色（橙-绿）合成图像，来自NASA/JPL，由旅行者二号拍摄，夸大了海王星的颜色。[62]
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  2016年重新校准了颜色（Justin Cowart），保留了一些对比度增强特征[63]
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  2023年重新校准颜色（Patrick Irwin），接近真实颜色[64]

旅行者2号所拍摄到的大暗斑。

1989年，美国航空航天局的旅行者2号航天器在海王星南半球发现了大暗斑，它是一个长13000公里，宽6000公里的椭圆飓风系统[65]，约为欧亚大陆的大小。这个风暴和木星上的大红斑类似，是一种反气旋风暴。然而在1994年11月2日，哈勃太空望远镜在海王星南半球没有看见大斑，反而在北半球发现了类似大暗斑的一场新的风暴[70]。

「滑行车」（）是位于大暗斑更南面的另一场风暴，是一组白色云团。1989年，当旅行者2号造访海王星前的那几个月被发现时，就被命名了这个绰号：因为滑行车比大暗斑移动得更快[71]。后来获取的图像显示云的移动速度甚至比最初的云还要快。

小暗斑是一场南部的飓风风暴，在1989年旅行者2号访问期间是海王星第二强的风暴。它最初是完全黑暗的，但在"旅行者"接近过程中，一个明亮的内核逐渐形成，并且出现在大多数最高分辨率的图像上[72]。

2018年，有一个新的主暗斑和较细的暗斑被识别和研究。[73]2023年，人类首次在地球表面观测海王星暗斑。[74]

海王星的暗斑被认为于对流层中形成，且海拔比白色的云团低，[75]所以同为风暴的暗斑看起来才会像白色云团下的暗色孔洞。由于它们可以持续数个月，因此它们被认为是一种涡旋结构。[43]在对流层顶层附近的更亮和持续更久的甲烷云常常与暗斑伴随出现[76]。这种伴云的持续存在表明，一些之前出现过的暗斑可能会继续以气旋的形式存在，但不再可用肉眼识别。当黑斑迁移至过于接近赤道的时候，它们可能会由于某些未知机制而消失[77]。

因为海王星的轨道距离太阳很远，海王星从太阳得到的热量很少，所以海王星大气层顶端温度只有-218℃（55K），在大气压力为1巴时，温度为72K（−201.15℃），[78]而由大气层顶端向内温度稳定上升。和天王星类似，星球内部热量来源未知，但两者的差异显着：作为太阳系最外侧的行星，海王星只接收到天王星接收到的阳光的40%，[40]而且辐射出从太阳中接收到的能量的2.61倍[79]，而天王星只有1.1倍[80]。但海王星内部能量却大到维持了太阳系所有行星中已知的最高速风暴。学者对其内部热源有几种解释，包括行星内核的放射热源[81]、行星生成时吸积盘塌缩能量的散热、还有重力波对大气层的扰动[82][83]，但这些原因却难以同时解释天王星缺乏内部热源，却能同时保持两颗行星之间的明显相似性的原因[84]。

另一个导致海王星有如此猛烈的风暴的可能原因是，当风暴有足够的能量时，它们会产生湍流，进而减慢风速（正如在木星上那样）。然而在海王星上，太阳能过于微弱，就算开始刮风也不会产生湍流，从而能保持极高的速度。海王星释放的能量比它从太阳得到的还多，[85]因而这些风暴也可能有着尚未确定的内在能量来源。

海王星的圆环，由旅行者2号拍摄

这颗蓝色行星有着暗淡的天蓝色圆环，但与土星比起来相去甚远[99]。这些环可能由涂有硅酸盐或碳基材料的冰粒组成，可能令它们呈现微红色色调[100]。三个主要环是伽勒环、勒威耶环和拉塞尔环。狭窄的亚当斯环距海王星中心63,000公里外，勒维耶环距中心53,000公里，更宽、更暗的伽勒环距中心42,000公里。勒维耶环外侧的暗淡圆环被命名为拉塞尔；再往外是距中心57,000公里的阿拉戈环[101]。

以爱德华·奎南为首的团队在1968年发现第一个环[102][103]，这些环在1980年代初期曾被认为也许是不完整的[104]，证据出现在1984年的一次恒星掩星期间，当时环在消失时遮掩了一颗行星，但在出现时却没有[105]。然而，“旅行者2号”的发现表明并非如此，旅行者2号在1989年拍摄的图像发现了几个微弱的光环并补全不完整的部分，解决了这个问题。

这些行星环有一个特别的「堆状」结构。[106]

最外层的圆环亚当斯，包含五段显着的弧，现在名为“Courage”、“Liberté”、“Egalité 1”、“Egalité 2”和“Fraternité”（勇气、自由、平等、博爱）[107]。 弧的存在难以理解，因为运动定律预示弧应在不长的时间内变成平均的圆环。目前天文学家认为环内侧的卫星海卫六的引力作用束缚了弧的运动。[108][109]

2005年新发表的在地球上观察的结果表明，海王星的环比原先以为的更不稳定。凯克天文台在2002年和2003年拍摄的图像显示，与"旅行者2号"拍摄时相比，海王星环发生了显着的退化，特别是“自由弧”，也许在一个世纪左右就会消失。[110]