Oppdagelsen av Neptun

Neptun ble matematisk forutsett før den ble direkte observert. Etter en forutsigelse av Urbain Le Verrier ble eksistensen av en stor planet bekreftet kvelden 23. september og utover morgenen 24. september 1846 ved teleskopiske observasjoner i Berlins observatorium av astronomen Johann Gottfried Galle (assistert av Heinrich Louis d'Arrest), som jobbet etter Le Verriers kalkulasjoner. Dette var et sensasjonelt øyeblikk i det 19. århundrets vitenskap og en dramatisk bekreftelse på Newtons teori om gravitasjon. I François Aragos egnede uttrykk hadde Le Verrier oppdaget en planet «med pennespissen sin».
I ettertid, etter at den ble oppdaget, viste det seg at planeten hadde blitt observert en rekke ganger tidligere, men ikke anerkjent, og der var andre som utførte ulike beregninger for dens beliggenhet, men de førte ikke til noen observasjon. I 1846 hadde planeten Uranus nesten fullført et fullt omløp siden den ble oppdaget av William Herschel i 1781, og astronomer hadde oppdaget en rekke uregelmessigheter i banen som ikke fullt ut kunne forklares med Newtons gravitasjonslov. Disse uregelmessighetene kunne imidlertid forklares dersom gravitasjonen fra en fjernere, ukjent planet forstyrret dens bane rundt solen. Uavhengig av hverandre begynte astronomene Urbain Le Verrier (Paris) og John Couch Adams (Cambridge) på beregninger for å bestemme beliggenheten av en slik planet i 1845. Dessverre førte Le Verriers triumf også til en spent internasjonal krangel om prioritet siden George Biddell Airy, som var britisk Astronomer Royal på den tiden, kort tid etter oppdagelsen annonserte at Adams også hadde forutsett oppdagelsen av planeten. Likevel ble Le Verrier tildelt Copleymedaljen av Royal Society i 1846 for sin oppnåelse, uten at Adams ble nevnt.
Oppdagelsen av Neptun førte også til oppdagelsen av dens måne Triton av William Lassell, kun sytten dager senere.

Tidligere observasjoner

Neptun er ikke synlig for det blotte øye siden den er for lite lyssterk. Dens tilsynelatende størrelsesklasse er aldri lyssterkere enn 7,7 Derfor var de første observasjonene av Neptun bare mulig etter oppfinnelsen av teleskopet. Der finnes bevis for at Neptun ble sett og registrert av Galileo Galilei i 1613, Jérôme Lalande i 1795 og John Herschel i 1830, men ingen av dem er kjent for å ha anerkjent den som en planet på den tiden. Disse observasjonene før oppdagelsene var viktige i den nøyaktige bestemmelsen av Neptuns bane. Neptun ville fremstå som prominent også i tidlige teleskoper, så andre observasjoner før oppdagelsen er sannsynlig.
Galileos tegninger viste at han observerte Neptun 28. desember 1612, og igjen 27. januar 1631; ved begge tilfeller mistok Galileo Neptun for en fiksstjerne da den fremstod svært nær (i konjunksjon) til Jupiter på nattehimmelen. Historisk ble det antatt at han antok at den var en fiksert blå stjerne, og han er derfor ikke kredidert med oppdagelsen. Ved tidspunktet for Galileos første observasjon, i desember 1612, var Neptun stasjonær på himmelen fordi den hadde blitt retrograd den samme dagen; siden den bare var i begynnelsen på sin årlige retrograde syklus ble Neptuns bevegelse og tilsynelatende størrelse antatt å være for liten for å tydelig synes som en planet i Galileos teleskop. I juli 2009 annonserte imidlertid fysikeren David Jamieson ved University of Melbourne nye bevis som antyder at Galileo var klar over at han hadde observert noe uvanlig ved denne stjernen. I en av sine notatbøker bemerket Galileo seg bevegelsen av en bakgrunnsstjerne (Neptun) 28. januar og en prikk (i Neptuns posisjon) tegnet i et annet blekk antyder at han fant den på en tidligere skisse tegnet om natten 6. januar, noe som antyder et systematisk søk blant hans tidligere observasjoner. Så langt er det imidlertid ingen klare bevis for at han identifiserte dette bevegelige objektet som en planet, eller at han publiserte disse observasjonene av det. Der er ingen bevis for at han noen gang forsøkte å observere den igjen.
I 1847 søkte Sears C. Walker fra United States Naval Observatory historiske opptegnelser og undersøkelser for mulige observasjoner av planeten Neptun før den ble oppdaget. Han fant at observasjoner gjort av Lalandes ansatte ved Parisobservatoriet i 1795 var i retning av Neptuns posisjon på himmelen. I katalogen fremkom det at det ble gjort observasjoner av en stjerne i omtrentlig posisjon forventet for Neptun 8. mai og igjen 10. mai 1795. Usikkerheten ved denne posisjonen ble markert med et kolon. Denne notasjonen ble også brukt til å markere observasjonsfeil, så det var ikke før den opprinnelige registreringen til observatoriet ble gjennomgått at det ble fastslått med sikkerhet at legmet var Neptun og at posisjonsfeilene i observasjonene med to netters mellomrom kom av planetens bevegelse over himmelen. Oppdagelsen av disse registreringene av Neptuns posisjon i 1795 førte til en bedre beregning av planetens bane.
John Herschel var nær ved å oppdage Neptun på samme måte som sin far, William Herschel, hadde oppdaget Uranus ved en tilfeldig observasjon i 1781. I et brev til Wilhelm Struve i 1846 hevder John Herschel at han observerte Neptun under en sveip over himmelen 14. juli 1830. Selv om hans teleskop var kraftig nok til å vise Neptun som en liten blå disk og vise at det var en planet, gjenkjente han den ikke på den tiden og mistolker den som en stjerne.

Uregelmessigheter i Uranus' bane

I 1781 var Anders Johan Lexell den første til å beregne Uranus' bane, og han la da merke til at den hadde uregelmessigheter. Han anslo at det kunne være andre planeter i solsystemet som perturberte Uranus' bane når solsystemet strakk seg så langt som 100 AE.
I 1821 publiserte Alexis Bouvard astronomiske tabeller for Uranus' bane og lagde forutsigelser for fremtidige posisjoner basert på Newtons bevegelseslover og gravitasjonslover. Senere observasjoner viste tydelige avvik fra tabellene, og Bouvard utledet hypoteser om at noe perturberte legemet. Disse uregelmessighetene, eller residualene, både i planetens ekliptiske lengdegrad og i dens avstand fra solen, eller radiusvektor, kan kanskje forklares med et antall hypoteser: effekten av solens gravitasjon på en så lang avstand kan variere fra Newtons beskrivelse; eller avvikene kan skyldes feil i observasjonene; eller Uranus ble dradd eller perturbert av en til da uoppdaget åttende planet.
Adams lærte av uregelmessighetene, samtidig som han studerte og ble overbevist av hypotesen om perturbasjon. Adams mente, i møte med noe som hadde vært forsøkt før, at han kunne bruke de observerte dataene for Uranus og bare bruke Newtons gravitasjonslov, utlede massen, posisjonen og banen til det perturberende legemet.
Etter hans avsluttende eksamen i 1843 ble Adams valgt til fellow ved sitt college og tilbrakte sommerferien i Cornwall, hvor han beregnet den første av seks iterasjoner.
I moderne termer er problemet et invers problem, et forsøk på å utlede parametrene av en matematisk modell fra observerte data. Selv om problemet er enkelt for moderne matematikere etter innføringen av elektroniske datamaskiner, var det en arbeidskrevende prosess med mye beregninger for hånd på den tiden. Adams startet ved å anta en nominell posisjon for det hypotetiske legemet ved å bruke Titius–Bodes lov. Deretter beregnet han banen til Uranus ved å bruke antatte posisjoner for det perturberte legemet og kalkulerte forskjellen mellom hans beregnede bane og observasjoner, i moderne termer residualene. Han justerte karakteristikken for det perturberte legemet på en måte som residualene antydet og gjentok prosessen, en prosess tilsvarende regresjonsanalyse.
Den 13. februar 1844 ba James Challis, direktør for Cambridge Observatory, på vegne av Adams om data for Uranus' posisjon fra Astronomer Royal George Biddell Airy ved Greenwich-observatoriet. Adams gjennomførte med sikkerhet noen beregninger den 18. september 1845.
Tilsynelatende kommuniserte Adams sitt arbeide til Challis i midten av september 1845, men det er noe uenighet om hvordan. Historien og dato for denne kommunikasjonen synes bare å komme frem i lyset i et brev fra Challis til Athenaeum datert 17. oktober 1846. Ingen dokumenter ble imidlertid identifisert frem til 1904, da Sampson antydet en note i Adams' papirer som beskriver «den nye planeten» med merknaden «mottatt i september 1845», og som er bekreftet at ikke er Adams håndskrift. Selv om dette ofte er blitt tatt for å etablere Adams prioritet, har noen historikere bestridt dens autentisitet på grunnlag av at «den nye planeten» ikke var et aktuelt begrep i 1845, og på grunnlag av at notatet er datert rett etter det faktum av noen andre enn Adams. Videre er resultatene av beregningene forskjellige fra de kommunisert til Airy noen uker senere. Adams gav med sikkerhet ingen detaljerte beregninger til Challis og Challis ble ikke imponert over den beskrivelsen av hans metoder for suksessiv tilnærming av posisjonen til legemet der han ikke var innstilt på å starte et møysommelig observasjonelt program ved observatoriet, og bemerket at «mens arbeidet var sikkert, virket suksessen å være usikker».
I mellomtiden presenterte Urbain Le Verrier den 10. november 1845 et notat om Uranus for Académie des sciences som viste at den før-eksisterende teorien feilet i å gjøre rede for dens bevegelser. Uvitende om Adams' arbeid forsøkte han lignende undersøkelser og 1. juni 1846 ga han posisjonen, men ikke massen eller banen, til det foreslåtte perturberende legemet i et nytt brev som ble presentert i et folkemøte i Académie des sciences. Le Verrier lokaliserte Neptun innenfor én grad av den forutsagte posisjonen.

Søkingen

Da nyheten om Le Verriers forutsigelse i juni kom til England så George Airy umiddelbart likheten mellom Le Verriers og Adams løsninger. Frem til det øyeblikket hadde Adams arbeid vært litt mer enn en kuriositet, men uavhengig bekreftelse fra Le Verrier ansporet Airy til å organisere et hemmelig forsøk på å finne planeten. På et møte i juli 1846 ved Greenwich-observatoriet, med Challis og Sir John Herschel til stede, foreslo Airy at Challis snarest begynte å se etter planeten med det 11,25 tommer store ekvatoriale teleskopet ved Cambridge «i håp om å redde forholdet fra en tilstand som er ... nesten desperat». Arbeidet ble påbegynt av en arbeidskrevende metode 29. juli. Adams fortsatte å arbeide med problemet og ga det britiske laget seks løsninger i 1845 og 1846 som førte til at Challis søkte på feil del av himmelen. Først etter at oppdagelsen av Neptun ble annonsert i Paris og Berlin ble det klart at Neptun hadde blitt observert i 8. og 12. august, men fordi Challis manglet et oppdatert stjernekart ble den ikke anerkjent som en planet.

Oppdagelsen 24. september 1846

Le Verrier var uvitende offentlige bekreftelse av Adams private beregninger hadde satt i gang et britisk søk etter den påståtte planeten. Den 31. august presenterte Le Verrier et tredje memoar hvor han redegjorde for massen og banen til det nye legemet. Etter å ha vært mislykket i sin innsats med å interessere noen franske astronomer i problemet sendte til slutt Le Verrier sine resultater i posten til Johann Gottfried Galle ved Berlins observatorium. Galle mottok Le Verriers brev 23. september og satte umiddelbart i gang med arbeidet med å observere i regionen som Le Verrier foreslo. Galles student, Heinrich Louis d'Arrest, foreslo at et nylig tegnet kart over himmelen i regionen Le Verrier forutsa kunne sammenlignes med dagens himmel for å søke etter karakteristiske forskyvninger for en planet i motsetning til en stasjonær stjerne.
Neptun ble oppdaget like etter midnatt, etter mindre enn en time med leting og mindre enn én grad fra posisjonen Le Verrier hadde forutsagt. Etter ytterligere to netter med observasjoner der posisjonen og bevegelsen ble bekreftet, sa Galle til Le Verrier med forbauselse: «planeten hvis sted du har [beregnet] eksisterer virkelig».