海王星

伽利略在1612年12月28日首次觀測並描繪出海王星，並在1613年1月27日再度觀測，但因為觀測的位置在夜空中靠近木星（在合的位置），令這伽利略把兩次觀測都誤認海王星是一顆恆星[16]，在伽利略第一次觀測的時候，海王星在留轉向逆行的位置，剛開始逆行時的運動過於微小，以至於伽利略的小望遠鏡查覺不出位置的改變[17]。但在2009年7月，墨爾本大學的物理學家大衛·傑美生宣稱，有新的證據表明伽利略至少知道他看見的星星相對於背景的恆星有微量的相對運動[18]。

伽利略·伽利莱

于尔班·勒威耶是以自己的計算發現海王星的人

1821年，亞歷斯·布瓦出版天王星的軌道表，[19]隨後的觀測顯示出天王星的軌道與表中的位置偏差越來越大，布瓦因此假設有攝動體存在[20]。1843年，英國數學家約翰·柯西·亞當斯計算出會影響天王星運動的第八顆行星軌道，並將計算結果送交皇家天文學家喬治·比德爾·艾里，他询问了亞當斯一些在計算上的問題，亞當斯雖然草擬答案但未曾回覆。

1846年，法國工藝學院的天文學教師于尔班·勒威耶，在沒有同伴的支持下，獨立完成了海王星位置的推算。同年，英國的約翰·赫歇耳也開始擁護以數學的方法去搜尋行星，並說服詹姆斯·查理士著手進行[20][21]。

在多次躭擱之後，查理士在1846年7月勉強開始搜尋的工作；而在同時，勒威耶也說服柏林天文台的约翰·戈特弗里德·伽勒搜尋行星。當時仍是柏林天文台的學生達赫斯特表示他正好完成勒威耶預測天區的最新星圖，可以做為尋找新行星時與恆星比對的參考圖。1846年9月23日晚間海王星被發現，與勒威耶預測的位置相距不到1°[22][23]，但與亞當斯預測的位置相差12°。事後，查理士發現他在8月時已經兩度觀測到海王星，但因為對這件工作漫不經心而未曾進一步的核對。[20][24][25]

由於民族優越感和民族主義，這項發現在英法兩國引起爭議，國際間的輿論最終迫使勒威耶接受亞當斯也是共同的發現者。然而，在1998年，史學家才得以重新檢視天文學家艾根遺產中的海王星文件（來自格林威治天文臺的歷史文件，明顯是被艾根竊取近卅年，在他逝世之後才得重見天日。）[26]。在檢視過這些文件之後，有些史學家認為亞當斯不應該得到如同勒威耶的殊榮。[27]

發現之後不久，海王星不是被稱為“天王星外的行星”就是“勒威耶的行星”。约翰·戈特弗里德·伽勒是第一位建議取名的人，他建議這顆行星稱為“雅努斯”（羅馬神話中看守門戶的雙面神）。在英國，查理士提議將之命名為“歐開諾斯”[28]；在法國，阿拉戈建議稱為“勒威耶”，但在法國之外有對這提議強烈的抗議聲浪[29]。法國天文年曆當時以“赫歇耳”稱呼天王星，並以“勒威耶”稱呼這顆新發現的行星[30]。同時，在分開和獨立的場合，亞當斯建議修改天王星的名稱為“喬治”，而勒威耶經由經度委員會建議以“Neptune”作為新行星的名字。瓦西里·雅可夫列维奇·斯特鲁维(1793–1864)，或其子奧托·威廉·馮·斯特魯維(1819–1905)在1846年12月29日於聖彼得堡科學院挺身而出支持勒威耶建議的名稱。[31]很快，海王星成為國際上公認的新名稱。在羅馬神話中的“Neptune”等同於希臘神話的“Poseidon”，都是海神，因此中文翻譯為海王星。新發現的行星遵循了行星以羅馬神話中的眾神為名的原則[32]，而除了天王星之外，都在遠古時代就被命名[33]。

在中文、韓文、日文和越南文中，该行星名称的漢字写法都是“海王星”[34][35]。在印度，這顆行星的名稱是Varuna（即伐楼拿），是印度神話中的海神，與希臘-羅馬神話中的Poseidon/Neptune意義是相同的。

海王星和地球大小比較

海王星內部結構

海王星的質量是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。由於它的质量小於典型的类木行星，而且密度、组成成份、内部结构也和类木行星有显著差别，因此海王星和天王星經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，行星核心是一个由大概1.2倍地球质量的鐵、鎳和矽酸鹽构成的混合体，中心壓力7百萬巴（7千億帕），大概為地球中心的兩倍。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]，是在極端高氣压和極端高熱的環境下形成的超臨界流體，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。

詹姆斯韦伯望远镜下的海王星

大气层質量佔全海王星大約5-10%，並向中心延伸10％到20％，甲烷、氨和水的含量随高度降低而上升[10]，而其温度、密度和氣压也隨之而不斷上升，进而逐渐過渡成為極熾热和極稠密的地幔海洋。

在高海拔處，海王星的大氣層由80%的氫和19%的氦組成[10]，也存在著微量甲烷。主要的吸收帶出現在600奈米以上波長的紅色至紅外線的光譜位置。與天王星一樣，大氣層的甲烷吸收了部分紅光，使海王星呈現淡藍色的色調[38]，因為天王星大氣含有更多的濃霧，所以海王星的淡藍色比天王星柔和的青色更藍[39]。

海王星的大氣層可以細分為兩個主要的區域：低層的對流層，該處的溫度隨高度降低；平流層，該處的溫度隨著高度增加，兩層邊界的對流層頂氣壓為0.1巴（10千帕）[40]。平流層在氣壓低於10⁻⁵至10⁻⁴巴（1-10帕）處成為增溫層[40]，並逐漸過渡為散逸層。 模型表明海王星對流層的雲帶成分取決於不同海拔高度的氣壓[41]。高海拔的雲出現在氣壓低於1巴之處，該處的溫度使甲烷可以凝結形成甲烷雲。當壓力在1巴至5巴（100至500千帕）時，人們認為會形成氨和硫化氫的雲。壓力在5巴以上時，雲可能會由氨、硫化銨、硫化氫和水組成。更深處的水冰雲可以在壓力大約為50巴（5百萬帕）處被發現，該處的溫度達到0℃。在海拔更低處，可能會發現氨和硫化氫的雲[42]。

結合顏色和近紅外線的海王星影像，顯示在它的大氣層中的甲烷帶，和他的4顆衛星：普羅狄斯、拉瑞莎、加勒蒂亞和迪斯比納

海王星高層的雲帶在較低層雲頂形成陰影

海王星的高層雲被觀察到在不透明的低層雲的頂部形成陰影，高層的雲也會沿著相同的緯度環繞行星。這些雲環帶的寬度大約在50公里至150公里[43]，並且在低層雲頂之上50公里至110公里。這些雲只在對流層出現，因為平流層和增溫層沒有天氣活動。2023年8月，海王星的雲層可能因太陽耀斑而消失[41]。哈勃太空望遠鏡和地面望遠鏡通過三十年的觀測表明，海王星的雲活動與太陽週期有關，而非行星自己的季節性變化。[44][45]

海王星的可見光光譜表明，由於甲烷被紫外線光解後的產物（乙烷和乙炔）凝結[10][40]，使得平流層低層出現霧氣。平流層也含有微量的一氧化硫和氰化氫[40][46]。海王星的平流層因為碳氫化合物（烴）的濃度較高，因此會比天王星的平流層溫暖[40]。

天王星的熱成層有著大約750K的異常高溫，其原因至今還不清楚[47][48]。因為這顆行星與太陽的距離太遙遠，不可能是從太陽來的紫外線輻射產生的高溫。一個可能的假設是行星的磁場與離子產生交互作用；另一個假設是來自行星內部的重力波在大氣層中消耗而產生熱量。熱成層包含微量二氧化碳和水，其來源可能來自外部，例如隕石和宇宙塵埃[42][46]。

海王星有著與天王星類似的磁層，它的磁場相對自轉軸有著達47°的傾斜，並且磁場中心偏離行星中心至少0.55半徑（偏離質心13,500 公里）。在航海家2號抵達海王星之前，天王星的磁層傾斜被假設為側向自轉的結果，但通過比較這兩顆行星的磁場，科學家現在認為這種極端的指向可能是行星內部之水－氨海洋的特徵。海王星地函中的導電流體（可能是氨、甲烷和水的混合體）[42]可能分層出穩定殼層及不穩定的熱對流殼層，較薄的對流殼層之發電機效應產生的磁層特徵與地球磁場不同，才造成磁極偏移的結果[49]。由於內部巨大的壓力，這些導電體有可能是金屬氫[50][51]，甚至可能有金屬銨[52][53][54]等簡並態物質。

海王星於磁赤道表面的磁場強度大約是14 微特斯拉（0.14 G）[55]，對應的磁偶极矩大約為2.2 × 10¹⁷ T·m³（14 μT·R_N³，此處R_N是海王星的半徑）。海王星的磁場具有複雜的幾何結構，比如磁場強度可能超過磁偶極矩的強大四極矩。相較之下，地球、木星和土星的磁場四極矩相對磁場偶極矩都非常小（0.14、0.24和0.076倍），並且相對於自轉軸的傾角也都不大。海王星巨大的四極矩可能是磁場中心偏離行星中心和發電機效應受磁場偏移的幾何學限制的結果[56][57]。

航海家2號在極紫外線和無線電頻率下的測量表明，海王星擁有微弱，複雜和獨特的極光，但因觀測時間所限，並未以紅外線探測。天文學家隨後使用哈勃太空望遠鏡，並沒有看到極光，與天王星清晰的極光形成鮮明對比[58][59]。

海王星的磁層抵擋太陽風產生的弓形震波出現在距離行星半徑34.9倍之處。海王星的磁層頂位於海王星半徑的23-26.5倍之處，磁尾至少延伸至海王星半徑的72倍，並且還會伸展至更遠[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（色彩经增强处理）

1989年，美國航空航天局的旅行者2号航天器在海王星南半球發現了大暗斑，它是一個長13000公里，寬6000公里的橢圓飓风系统[65]，約為歐亞大陸的大小。这个風暴和木星上的大紅斑類似，是一種反氣旋風暴。然而在1994年11月2日，哈勃太空望遠鏡在海王星南半球沒有看見大斑，反而在北半球发现了类似大暗斑的一場新的風暴[70]。

「滑行車」（）是位于大暗斑更南面的另一場風暴，是一组白色云团。1989年，當旅行者2号造访海王星前的那几个月被发现时，就被命名了这个綽號：因为滑行車比大暗斑移動得更快[71]。後來獲取的圖像顯示雲的移動速度甚至比最初的雲還要快。

小暗斑是一場南部的颶風風暴，在1989年旅行者2号访问期間是海王星第二强的風暴。它最初是完全黑暗的，但在航海家2號的接近过程中，一個明亮的核心逐渐形成，并且出现在大多数最高分辨率的圖像上[72]。

2018年，有一個新的主暗斑和較細的暗斑被識別和研究。[73]2023年，人類首次在地球表面觀測海王星暗斑。[74]

海王星的暗斑被認為於對流層中形成，且海拔比白色的雲團低，[75]所以同為風暴的暗斑看起來才會像白色雲團下的暗色孔洞。由於它們可以持續數個月，因此它們被認為是一種渦旋結構。[43]在對流層頂層附近的更亮和持續更久的甲烷雲常常與暗斑伴隨出現[76]。這種伴雲的持續存在表明，一些之前出現過的暗斑可能會繼續以氣旋的形式存在，但不再可用肉眼識別。當黑斑遷移至過於接近赤道的時候，它們可能會由於某些未知機制而消失[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），在大氣壓力為1巴時，溫度為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，但兩者的差異显著：作为太阳系最外側的行星，海王星只接收到天王星接收到的陽光的40%，[40]而且輻射出從太陽中接收到的能量的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。學者对其内部热源有几种解释，包括行星核心的放射热源[81]、行星生成时吸积盘塌缩能量的散热、还有重力波对大氣層的扰动[82][83]，但這些原因卻難以同時解釋天王星缺乏內部熱源，卻能同時保持兩顆行星之間的明顯相似性的原因[84]。

另一个導致海王星有如此猛烈的風暴的可能原因是，當风暴有足够的能量時，它们会产生湍流，进而減慢风速（正如在木星上那样）。然而在海王星上，太陽能过于微弱，就算开始刮风也不會产生湍流，从而能保持極高的速度。海王星释放的能量比它從太陽得到的还多，[85]因而这些風暴也可能有着尚未確定的內在能量來源。

海王星的圓環，由旅行者2號拍摄

这颗藍色行星有着暗淡的天藍色圓環，但与土星比起来相去甚远[99]。這些環可能由覆有矽酸鹽或含碳物質的冰粒組成，使它們呈現微紅色色調[100]。三個主要環是伽勒環、勒威耶環和拉塞爾環。狹窄的亞當斯環距海王星中心63,000公里外，勒威耶環距中心53,000公里，更寬、更暗的伽勒環距中心42,000公里。勒威耶環外侧的暗淡圆环被命名为拉塞尔；再往外是距中心57,000公里的阿拉戈環[101]。

詹姆斯·韦伯太空望远镜通过红外线观测到的海王星环及海王星的卫星

以愛德華·奎南为首的团隊在1968年發現第一個環[102][103]，這些環在1980年代初期曾被認為也許是不完整的[104]，證據出現在1984年的一次恒星掩星期間，當時環在消失時遮掩了一顆行星，但在出現時卻沒有[105]。然而，“旅行者2号”的发现表明并非如此，旅行者2号在1989年拍摄的图像發現了幾個微弱的光環並補全不完整的部分，解決了這個問題。

最外層的圓環亞當斯，包含五段显著的弧，現在名為“Courage”、“Liberté”、“Egalité 1”、“Egalité 2”和“Fraternité”（勇氣、自由、平等一、平等二、博爱）[106]。 弧的存在難以理解，因為運動定律预示弧应在不长的時间内变成平均的圆环。目前天文學家认为环内侧的卫星海卫六的引力作用束缚了弧的运动。[107][108]

2005年新发表的在地球上觀察的结果表明，海王星的環比原先以为的更不穩定。凱克天文台在2002年和2003年拍摄的图像显示，與"旅行者2号"拍摄時相比，海王星环发生了显著的退化，特别是“自由弧”，也許在一個世紀左右就会消失。[109]