Neptun (planet)

Oppdagelse

Det er nå alminnelig antatt at Galileo først observerte Neptun 28. desember 1612, og igjen 27. januar 1613, men at han mistolket planeten for en stjerne fordi den var svært nær – i konjunksjon til – Jupiter på nattehimmelen. Derfor er han ikke kreditert for oppdagelsen. I løpet av perioden for hans første observasjon i desember 1612 var Neptun stasjonær på himmelen, fordi den hadde snudd til retrograd bevegelse samme dag. Siden Neptun bare var i begynnelsen av sin årlige retrograde syklus, var planetens bevegelse altfor liten til å oppdages med Galileos lille teleskop. 
I juli 2009 kunngjorde fysikeren David Jamieson ved University of Melbourne nye analyser av Galileos notater. Disse antyder at Galileo i det minste var klar over at stjernen han hadde observert hadde beveget seg relativt til andre stjerner.
I 1821 publiserte Alexis Bouvard astronomiske tabeller for banen til Neptuns nabo, Uranus. Senere observasjoner viste betydelige avvik fra tabellene, og det førte Bouvard til en hypotese om at banen ble påvirket av tyngdekraften fra et ukjent legeme. I 1843 begynte John Couch Adams å arbeide med Uranus' bane ved å bruke de dataene han hadde. Via direktør James Challis ved Cambridge Observatory forespurte han Astronomer Royal George Airy om ytterligere data, og disse ble sendt i februar 1844. Adams fortsatte å jobbe med dette i 1846–46 og lagde flere ulike estimater om en ny planet.
I 1845–46 utviklet Urbain Le Verrier kalkulasjoner uavhengig av Adams, men han opplevde liten entusiasme blant sine franske kolleger. Da Airy så Le Verriers første publiserte estimater for planeten i 1846, merket han seg likheten med Adams' anslag. Airy overtalte da James Challis til å søke etter planeten, noe denne gjorde gjennom hele august og september.
I mellomtiden sendte Le Verrier brev til astronomen Johann Gottfried Galle ved Berlins observatorium og oppfordret ham til å søke etter planeten med observatoriets refraktor. Heinrich d'Arrest, en student ved observatoriet, foreslo overfor Galle at de kunne sammenligne et nylig tegnet himmelkart for regionen med Le Verriers utregninger for hvor planeten skulle befinne seg til enhver tid. På denne måten kunne de se etter en forflytning som er karakteristisk for en planet, i motsetning til en fiksstjerne. 
Om kvelden den 23. september 1846, samme dag som de hadde mottatt brevet fra Le Verrier, ble Neptun oppdaget innenfor én grad av hvor Le Verrier hadde forutsagt at den skulle være, og rundt 12 grader fra Adams' forutsigelse. Challis innså senere at han observerte planeten to ganger i august uten å identifisere den.
I kjølvannet av oppdagelsen var det mye nasjonalistisk rivalisering mellom franskmennene og britene om hvem som hadde prioritet og fortjente æren for oppdagelsen. Til slutt ble det internasjonal konsensus om at Le Verrier og Adams i fellesskap fortjente æren. Siden 1966 har Dennis Rawlins stilt spørsmål ved troverdigheten til Adams' krav som med-finner, og saken ble på nytt evaluert av historikere ved tilbakeføringen av «Neptun papers» (historiske dokumenter) til Greenwich-observatoriet i 1998. Etter en gjennomgang av dokumentene foreslo de at «Adams ikke fortjener like mye ære som Le Verrier for oppdagelsen av Neptun. Den æren tilhører kun den personen som lyktes både i å forutsi planetens sted og i å overbevise astronomer om å søke etter den.»

Navngivelse

Kort tid etter oppdagelsen ble Neptun referert til som «planeten utenfor Uranus» eller som «Le Verriers planet». Det første forslaget til et navn kom fra Galle, som foreslo navnet Janus. I England foreslo Callis navnet Okeanos (engelsk: Oceanus).
Le Verrier påberopte seg retten til å navngi sin oppdagelse, og foreslo raskt navnet Neptun. Samtidig hevdet han feilaktig at dette hadde blitt offisielt godkjent av det franske Bureau des longitudes. I oktober forsøkte han å navngi planeten Le Verrier, etter seg selv, og han hadde lojal støtte for dette fra direktøren for observatoriet, François Arago. Dette forslaget møtte imidlertid hard motstand utenfor Frankrike. Franske almanakker gjeninnførte raskt navnet Herschel for Uranus, etter planetens oppdager William Herschel, og Leverrier for den nye planeten.
Den russiske astronomen Friedrich Georg Wilhelm von Struve nådde frem med navnet Neptun overfor det russiske vitenskapsakademi 29. desember 1846,, og snart ble Neptun det internasjonalt aksepterte navnet. I romersk mytologi var Neptun havguden, identifisert med greske Poseidon. Kravet til et mytologisk navn var i tråd med nomenklaturen for andre planeter, som alle, bortsett fra jorden, har fått navn fra gresk og romersk mytologi.
De fleste land, også land uten direkte forbindelse til gresk-romersk kultur, bruker i dag varianter av navnet «Neptun» om planeten. I Kina blir planeten kalt «havkongestjernen» (kinesisk: 海王星, pinyin: hǎiwángxīng, kantonesisk: huoiwongsing) siden Neptun var havets gud. Denne navneformen brukes også i Korea (hangul: 해왕성, revidert romanisering: haewangseong) og på japansk (kaiousei).

Status

Fra 1846 og frem til den senere oppdagelsen av Pluto i 1930, var Neptun den fjerneste kjente planeten i solsystemet. Etter oppdagelsen av Pluto ble Neptun den nest ytterste planeten, med unntak av en tjueårsperiode mellom 1979 og 1999, da Plutos elliptiske bane brakte denne nærmere solen enn Neptun. Oppdagelsen av Kuiperbeltet i 1992 førte til en debatt om Pluto skulle anses som en planet i sin egen rett eller som en del av Kuiper-beltet. I 2006 definerte den internasjonale astronomiske union begrepet «planet» for første gang, og Pluto ble da klassifisert ned til en «dvergplanet». Neptun ble igjen den ytterste planeten i solsystemet.

Sammensetning og struktur

Neptuns masse på 1,0243×10²⁶ kg er omtrent midt mellom jordens og de større gasskjempenes: Massen er sytten ganger høyere enn jordens, men bare en nittendedel av Jupiters. Planetens overflategravitasjon overgås kun av Jupiters. Neptuns ekvatorradius på 24 764 km er nær fire ganger jordens radius. Neptun og Uranus anses ofte som en underklasse av gasskjempene og kalles «iskjemper». De er mindre av størrelse og har høyere konsentrasjoner av volatiler enn Jupiter og Saturn har. I letingen etter planeter utenfor solsystemet har Neptun blitt brukt som et metonym: oppdagede legemer av tilsvarende størrelse blir ofte referert til som «Neptuner», akkurat som astronomer refererer til ulike ekstrasolare legemer som «Jupitere».

Indre struktur

Neptuns indre struktur minner om Uranus sin. Atmosfæren utgjør rundt 5 til 10 prosent av planetens masse og strekker seg kanskje 10 til 20 prosent av veien inn mot kjernen, hvor atmosfæren når trykk på opp mot 10 GPa. I de lavere regionene av atmosfæren er det oppdaget økende konsentrasjoner av metan, ammoniakk og vann i forhold til i de høyere regionene.
Mantelen når temperaturer på 2 000–5 000 K, tilsvarer 10 til 15 jordmasser og er rik på vann, ammoniakk og metan. Som vanlig innen planetvitenskap omtales denne blandingen som isete, selv om det er en varm og svært tett væske. Denne væsken, som har høy elektrisk ledningsevne, blir noen ganger kalt for et vann-ammoniakk-hav. 
På en dybde av 7 000 km kan forholdene være slik at metan brytes ned i diamantkrystaller, som deretter faller mot kjernen. Mantelen kan bestå av et lag med ionisk vann, der vannmolekylene brytes ned i en suppe av hydrogen- og oksygenioner, og dypere ned av superionisk vann, hvor oksygenet krystalliseres, mens hydrogenionene flyter fritt rundt innenfor oksygengitteret.
Kjernen er sammensatt av jern, nikkel og silikater med en indre modell som gir en masse som er om lag 1,2 ganger så stor som jordens. Trykket i sentrum er 7 Mbar (700 GPa), millioner av ganger så høyt som trykket på jordens overflate, og temperaturen er muligens 5 400 K.

Atmosfære

I store høyder er Neptuns atmosfære 80 prosent hydrogen og 19 prosent helium. En spormengde av metan finnes også. Tydelige absorpsjonsstriper av metan oppstår på bølgelengder over 600 nm i den røde og infrarøde delen av spekteret. I likhet med på Uranus er dette at rødt lys absorberes av atmosfærisk metan, en viktig årsak til Neptuns blå farge, selv om dens livlige asur-nyanse skiller seg fra Uranus' mildere cyan. Siden Neptuns atmosfæriske metaninnhold er omtrent like høyt som Uranus sitt, antas det at det er en ukjent bestanddel i atmosfæren som også bidrar til Neptuns farge.
Neptuns atmosfære er delt inn i to hovedregioner; den nedre troposfæren, hvor temperaturen synker med høyden, og stratosfæren, der temperaturen øker med høyden. Grensen mellom de to, tropopausen, oppstår ved et trykk på 0,1 bar (100 hPa). Stratosfæren gir så vei for termosfæren ved et trykk lavere enn 10⁻⁵–10⁻⁴ mikrobar (1–10 Pa). Termosfæren går gradvis over til eksosfæren.
Modeller antyder at troposfæren har stripedannelser av skyer med varierende sammensetning avhengig av høyde. Skyene i det øverste nivået oppstår ved trykk på under én bar, hvor temperaturen er passende for at metan kondenserer. For trykk på mellom én og fem bar (1 000–5 000 hPa) antas det at skyer av ammoniakk og hydrogensulfid dannes. Ved trykk på over fem bar kan skyene bestå av ammoniakk, ammoniumsulfid, hydrogensulfid og vann. Dypere skyer av is bør finnes ved trykk på ca. 50 bar (5,0 MPa), der temperaturen er 0 °C. Under kan det finnes skyer av ammoniakk og hydrogensulfid.
Høytliggende skyer er observert å kaste skygger på det ugjennomsiktige skydekket nedenfor. Det er også høytliggende striper av skyer som brytes rundt planeten ved konstante breddegrader. Disse stripene har bredder på 50 km og ligger 50–110 km over skydekket. På grunn av den store avstanden fra solen og at planeten bare mottar litt over en promille av sollyset vi mottar på jorden, er Neptuns ytre atmosfære et av de kaldeste stedene i solsystemet. Temperaturen i skytoppene ligger på rundt −218 °C (55 K).
Neptuns spektra antyder at den nedre stratosfæren er tåkete på grunn av kondensasjon av produkter fra ultrafiolett fotolyse av metan, som etan og acetylen. I stratosfæren finnes det også spormengder av karbonmonoksid og hydrogencyanid. Neptuns stratosfære er varmere enn Uranus' på grunn av forhøyede konsentrasjoner av hydrokarboner.
Av ukjente årsaker har planetens termosfære en uventet høy temperatur, på omtrent 750 K. Planeten er for langt fra solen til at denne varmen kan være generert av ultrafiolett stråling. Noe som muligens fungerer som en varmemekanisme, er atmosfærisk vekselvirkning med ioner i planetens magnetfelt. Andre mulige årsaker er gravitasjonsbølger fra det indre, som forsvinner i atmosfæren. Termosfæren inneholder spor av karbondioksid og vann, som kan ha blitt deponert fra eksterne kilder som meteoritter eller støv.

Magnetosfære

Neptun ligner også på Uranus i magnetosfæren, med et magnetisk felt som er sterkt skråstilt i forhold til rotasjonsaksen på 47 grader og en forskyvning på minst 0,55 radier, eller rundt 13 500 km fra planetens fysiske sentrum. Før Voyager 2s ankomst til Neptun hadde en hypoteser om at Uranus' skrådde magnetosfære var et resultat av dens sideveis rotasjon. På grunnlag av sammenligninger mellom de magnetiske feltene til de to planetene mener forskerne nå at den ekstreme skråstillingen kan være karakteristisk for strømmer i planetenes indre. Dette feltet kan være generert av konvektive væskebevegelser i et tynt sfærisk skall av elektrisk ledende væsker (sannsynligvis en kombinasjon av ammoniakk, metan og vann) som fører til en dynamovirkning.
Den dipole komponenten av magnetfeltet ved Neptuns magnetiske ekvator er ca. 14 mikrotesla (0,14 G). Det dipole magnetiske momentet for Neptun er rundt 2,2×10¹⁷ T×m³ (14 μT×RN³, hvor RN er Neptuns radius). Neptuns magnetfelt har en kompleks geometri, som omfatter relativt store bidrag fra ikke-dipole komponenter, inkludert et sterkt kvadrupolmoment som kan overstige det dipole momentet i styrke. Jorden, Jupiter og Saturn har derimot bare relativt små kvadrupole moment, og deres felt har mindre helninger fra polaksene. Neptuns høye kvadrupolmoment kan være resultatet av forskyvning fra planetens sentrum og geometriske begrensninger av feltets dynamogenerator.
Neptuns baugsjokk, der magnetosfæren begynner å bremse solvinden, oppstår i en avstand på 34,9 ganger planetens radius. Magnetopausen, hvor trykket fra magnetosfæren utbalanserer solvinden, ligger i en avstand av 23–26,5 ganger planetens radius. Magnetosfærens hale strekker seg ut til minst 72 ganger Neptuns radius, og høyst sannsynlig mye lenger.

Planetariske ringer

Neptuns planetariske ringsystem er mye mindre markant enn Saturns ringer. Ringene består muligens av ispartikler belagt med silikater eller karbonbaserte materialer, som mest sannsynlig gir dem en rødlig fargetone. De tre viktigste ringene er den smale Adams-ringen, som ligger 63 000 km fra sentrum av Neptun, Le Verrier-ringen, som ligger 53 000 km fra sentrum, og den bredere og svakere Galle-ringen, som ligger 42 000 km fra sentrum. En svak forlengelse utover fra Le Verrier-ringen har fått navnet Lassel; den er avgrenset i sin ytre grense av Arago-ringen, som ligger 57 000 km unna sentrum av planeten.
Den første av disse ringene ble oppdaget i 1968 av et lag ledet av Edward Guinan, men det ble senere antatt at denne ringen kunne være ufullstendig. Bevis for at ringen kan ha sprekker, kom under en stjerneokkultasjon i 1984, da ringene tåkela en stjerne under nedstigning, men ikke under oppstigning. Bilder tatt av Voyager 2 i 1989 avgjorde spørsmålet ved å vise flere svake ringer. Disse ringene har en klumpete struktur. Grunnen til dette er ennå ikke funnet, men det kan skyldes vekselvirkning med små måner i bane i nærheten av dem.
Den ytterste ringen, Adams, inneholder fem betydelige buer kalt Courage, Liberté, Egalité 1, Egalité 2 og Fraternité (mot, frihet, likhet og brorskap). Buenes eksistens er vanskelig å forklare, fordi en ut fra bevegelseslovene skulle forvente buer som sprer seg ut i en enhetlig ring over svært korte tidsperioder. Astronomer antar nå at buene ble drevet inn i sin nåværende form ved gravitasjonell påvirkning fra månen Galatea, like innenfor ringen.
Jordbaserte observasjoner viste i 2005 at Neptuns ringer tilsynelatende er mye mer ustabile enn tidligere antatt. Bilder tatt fra Keck-observatoriet i 2002 og 2003 viser betydelig forfall i ringene i forhold til på bildene tatt av Voyager 2. Særlig virker det som Liberté-buen kan forsvinne innen så kort tid som ett århundre.

Klima

En forskjell mellom Neptun og Uranus er den meteorologiske aktiviteten. Da romfartøyet Voyager 2 fløy forbi Uranus i 1986, var planeten visuelt ganske mild – i motsetning til Neptun, som fremviste bemerkelsesverdige værfenomener da fartøyet passerte i 1989.
Neptuns vær er preget av ekstremt dynamiske stormsystemer med vinder som når hastigheter på nesten 600 m/s – nesten supersonisk strømning. Ved å følge bevegelsene til langvarige skyer har man funnet mer typiske vindmønstre, der vindhastighetene varierer fra 20 m/s i østlig retning til 325 m/s vestover. I skytoppene varierer hastighetene fra 400 m/s langs ekvator til 250 m/s ved polene. De fleste vindene på Neptun beveger seg i motsatt retning av planetens rotasjon. Det generelle mønsteret i vindene viser en prograd rotasjon ved høyere breddegrader og retrograd rotasjon ved lavere breddegrader. Forskjellen i strømningsretningen antas å være en «lag-effekt» og ikke et resultat av dypere atmosfæriske prosesser. Ved 70. sørlige breddegrad er det en høyhastighets-jet som beveger seg i 300 m/s.
Mengden av metan, etan og etyn ved Neptuns ekvator er 10–100 ganger større enn ved polene. Dette tolkes som bevis for utbuling ved ekvator og innsynkning nær polene.
I 2007 ble det oppdaget at den øvre troposfæren ved sørpolen var omtrent 10 °C varmere enn resten av Neptun, som i gjennomsnitt er ca. –200 °C (70 K). Varmeforskjellen er nok til at metan som ellers ligger frosset i Neptuns øvre atmosfære, kan lekke som gass ut i verdensrommet gjennom sørpolen. Dette relative «varmepunktet» kommer av planetens aksehelning, som har eksponert sørpolen for solen den siste fjerdedelen av Neptuns år, omtrent 40 jordår. Etter hvert som Neptun sakte beveger seg mot den andre siden av solen, vil sørpolen bli mørklagt og nordpolen opplyst. Frigjøringen av metan vil da skje ved nordpolen.
Det er observert at skystripen på den sørlige halvkulen øker i størrelse og albedo. Denne trenden, som skyldes årstidene, ble første gang sett i 1980 og forventes å vare frem til ca. 2020. Den lange omløpstiden til Neptun resulterer nemlig i årstider som varer i rundt førti år.

Stormer

I 1989 ble den store mørke flekken, et antisyklonsk stormsystem som strekker seg over 13 000×6 600 km, oppdaget av NASAs romsonde Voyager 2. Stormen lignet den store røde flekken på Jupiter. Omtrent fem år senere så ikke Hubble-teleskopet den store mørke flekken på planeten. I stedet ble en ny storm som lignet den store mørke flekken, oppdaget på planetens nordlige halvkule. Disse værmønstrene er drevet av vedvarende vinder, de sterkeste på noen planet i solsystemet, med registrerte hastigheter opp mot 2 100 km/t.
Scooter er en annen type storm, en hvit gruppe skyer lengre sør enn den store mørke flekken. Kallenavnet kommer av det faktum at da den først ble oppdaget i månedene før Voyager 2 passerte i 1989, beveget den seg raskere enn den store mørke flekken. Senere bilder viste enda raskere skyer. Den lille mørke flekken er en sørlig syklonstorm, den nest mest intense stormen observert i løpet av passeringen i 1989. Den var i utgangspunktet helt mørk, men etter hvert som Voyager 2 nærmet seg planeten, utviklet det seg en lys kjerne, som kan sees på de fleste bildene med høy oppløsning.
Det antas at Neptuns mørke flekker oppstår i troposfæren ved lavere høyder enn de lyse skystrukturene, slik at de vises som hull i de øvre skydekkene. Ettersom de er stabile strukturer som kan vedvare i flere måneder, antas det at de er virvelstrukturer. Lysere og vedvarende metanskyer som dannes rundt tropopauselaget, blir ofte forbundet med mørke flekker. Det er også observert at noen tidligere mørke skyer fortsetter å eksistere som sykloner selv om de ikke lenger er synlige som mørke strukturer. Mørke flekker kan forsvinne når de vandrer for nær ekvator eller eventuelt gjennom en annen ukjent mekanisme.

Indre varme

Det antas at Neptuns mer varierte vær sammenlignet med Uranus delvis skyldes planetens høyere indre varme. Selv om Neptun ligger en halv gang så langt fra solen som Uranus og bare mottar 40 prosent av mengden sollys, er overflatetemperaturen på de to planetene omtrent den samme. De øvre regionene av Neptuns troposfære når en nedre temperatur på –221,4 °C (51,8 K). 
På dybder hvor det atmosfæriske trykket tilsvarer 1 bar (1 000 hPa), er temperaturen –201,15 °C (72 K). Dypere inne i gasslagene stiger temperaturen jevnt. I likhet med Uranus er kilden til denne varmen ukjent, men avviket er større: Uranus utstråler bare 1,1 ganger så mye energi som den mottar fra solen; mens Neptun utstråler omtrent 2,61 ganger så mye energi som den mottar fra solen.
Neptun er den ytterste planeten i solsystemet, men dens indre energi er tilstrekkelig til å drive de raskeste planetariske vindene som er oppdaget i systemet. Flere forklaringer har blitt foreslått, deriblant radiogen oppvarming fra planetens kjerne, konvertering av metan under høyt trykk til hydrogen, diamanter og lengre hydrokarboner (hydrogenet og diamantene vil da henholdsvis stige og synke og frigjøre gravitasjonell potensiell energi), og konveksjon i den nedre atmosfæren som forårsaker at gravitasjonsbølger bryter over tropopausen.

Omløp og rotasjon

Den gjennomsnittlige avstanden mellom Neptun og solen er 4,5 milliarder kilometer (ca. 30,1 AE), og planeten fullfører ett omløp i gjennomsnitt hvert 164,79 år, med en variasjon på rundt ±0,1 år.
Den 9. juli 2011 avsluttet Neptun sitt første barysentriske omløp siden oppdagelsen i 1846, selv om den ikke vistes på nøyaktig samme posisjon på vår himmel fordi jorden var i en annen posisjon i sin 365,25-dagers bane. På grunn av solens bevegelse i forhold til solsystemets barysenter, var Neptun den 11. juli heller ikke i eksakt oppdagelsesposisjon i forhold til solen; hvis man bruker det vanligere heliosentriske koordinatsystemet, ble oppdagelsens lengdegrad nådd 9. juli 2011.
Neptuns elliptiske bane har en inklinasjon på 1,77° sammenlignet med jorden. På grunn av en baneeksentrisitet på 0,011 varierer avstanden mellom Neptun og solen med 101 millioner km mellom perihelium og aphelium, henholdsvis de nærmeste og fjerneste punktene fra solen i omløpsbanen.
Aksehellingen til Neptun er 28,32°, noe som er lignende jordens (23°) og Mars' (25°) hellinger. Som en følge av dette har planeten også tilsvarende sesongmessige forandringer, men den lange omløpstiden betyr at en sesong varer i førti år. Den sideriske rotasjonsperioden (dag) er på ca. 16,11 timer. Siden aksehellingen er sammenlignbar med jordens, er ikke variasjonen i lengden på dagen i løpet av det lange året noe mer ekstrem.
Fordi Neptun ikke er et fast legeme, oppstår det en differensiell rotasjon i atmosfæren. Den brede ekvatorsonen roterer med en periode på ca. 18 timer, noe som er tregere enn rotasjonen til planetens magnetfelt, som tar 16,1 timer. I motsetning er rotasjonsperioden på bare 12 timer i polområdene. Denne differensielle rotasjonen er den mest markante av alle planetene i solsystemet, og det resulterer i sterke breddegradsvindskjær.

Baneresonans

Neptuns bane har en betydelig innflytelse på regionene direkte utenfor, kjent som Kuiperbeltet. Kuiperbeltet er en ring av små isete verdener, tilsvarende asteroidebeltet, men mye større. Beltet strekker seg fra Neptuns bane ved 30 AE og ut til ca. 55 AE fra solen. På samme måte som Jupiters tyngdekraft dominerer asteroidebeltet og former dets struktur, dominerer Neptuns gravitasjon Kuiperbeltet. I løpet av solsystemets levetid blir visse regioner av Kuiperbeltet destabilisert av Neptuns tyngdekraft, som lager hull i Kuiperbeltet. Området mellom 40 og 42 AE er et eksempel på dette.
Det finnes baner innenfor disse tomme områdene hvor objekter kan overleve gjennom hele solsystemets alder. Disse resonansene oppstår når Neptuns omløpstid er en presis brøkdel av et annet objekts omløpstid, for eksempel 1:2 eller 3:4. Hvis for eksempel et objekt går én runde rundt solen for hver andre gang Neptun går en runde, vil det bare fullføre en halv runde før Neptun er tilbake til sin utgangsposisjon. 
Den mest omfattende resonansen i Kuiperbeltet, med over 200 kjente objekter, er 2:3-resonansen. Objekter i denne resonansen fullfører to omløp for hver gang Neptun fullfører tre, og er kjent som plutinoer på grunn av at det største av de kjente objektene i Kuiperbeltet, Pluto, er blant dem. Selv om Pluto jevnlig krysser Neptuns bane, sikrer 2:3-resonansen at de aldri vil kollidere. 3:4-, 4:7- og 2:5-resonansene har færre objekter.
Ni kjente trojanske objekter opptar Lagrange-punktet L₄ mellom solen og Neptun – en gravitasjonelt stabil region som leder dem inn i sin bane. Neptuntrojanere er i en 1:1-resonans med Neptun. De er bemerkelsesverdig stabile i sine baner, og har sannsynligvis blitt dannet sammen med Neptun og ikke blitt innfanget. Det første, og så langt det eneste objektet som er identifisert og assosiert med Neptuns bakre Lagrange-punkt L₅, er 2008 LC18.

Dannelse og vandring

Dannelsen av iskjempene Neptun og Uranus er vanskelig å modellere nøyaktig. Nåværende modeller antyder at tettheten av materie i de ytre delene av solsystemet var for lav til å kunne danne slike store legemer ut ifra tradisjonelt aksepterte metoder for akkresjon i kjernen. Ulike hypoteser har blitt fremmet for å forklare disse skaperverkene. Den ene er at iskjempene ikke ble skapt av akkresjon i kjernen, men fra ustabiliteter innenfor den opprinnelige protoplanetariske skiven, og senere fikk atmosfæren sprengt bort av stråling fra en nærliggende massiv OB-stjerne.
Et alternativt konsept er at de ble dannet nærmere solen der tettheten av materie var høyere før de forflyttet seg til sine nåværende baner etter at den protoplanetariske gasskiven forsvant. Denne hypotesen om planetvandring er favorisert på grunn av evnen til bedre å kunne forklare bestandene av små objekter som er observert i den transneptunske regionen. Den forklaringen på detaljene i denne hypotesen som er mest akseptert i dag, er kjent som Nice-modellen, som forklarer effekten av en vandrende Neptun og de andre kjempeplanetene på Kuiperbeltets struktur.

Måner

Neptun har 14 kjente måner. Sortert fra innerst til ytterst, kalles de Naiad, Thalassa, Despina, Galatea, Larissa, Hippocamp, Proteus, Triton, Nereid, Halimede, Sao, Laomedeia, Psamathe og Neso. De fire innerste månene går i bane innenfor Neptuns ringer.
Den klart største er Triton. Den består av mer enn 99,5 % av massen i bane rundt Neptun og er den eneste som er tilstrekkelig massiv til å være rotasjonsellipsoidisk. Triton ble oppdaget av William Lassell den 10. oktober 1846 – kun 17 dager etter oppdagelsen av Neptun. I motsetning til andre store planetmåner i solsystemet har Triton en retrograd bane. Dette indikerer at den ikke ble dannet rundt Neptun, men er en tidligere dvergplanet fra Kuiperbeltet som er blitt innfanget. 
Triton er tilstrekkelig nær Neptun til at den er låst i en bundet rotasjon. Den går sakte i en spiral innover på grunn av tidevannsakselerasjon og vil til slutt bli revet i biter rundt 3,6 milliarder år fra nå, når den når Roche-grensen. I 1989 var Triton det kaldeste legemet som til da hadde blitt målt i solsystemet, med en anslått temperatur på –235 °C (38 K).
Den andre av Neptuns satellitter som ble oppdaget, var Nereid. Månen ble oppdaget 1. mai 1949, mer enn 102 år etter Triton. Denne irregulære månen har en av de mest eksentriske banene blant satellittene i solsystemet. Eksentrisiteten på 0,7512 gir et apoapsis, som er syv ganger dens periapsisavstand fra Neptun. En kuriositet ved Nereid, er at den roterer i motsatt retning av Triton.
Den neste oppdagelsen kom 24. mai 1981. Da ble månen Larissa oppdaget, mens den okkulterte en stjerne. Okkultasjonen ble av enkelte astronomer tilskrevet ringbuer; da romsonden Voyager 2 ankom Neptun i 1989, ble det endelig påvist at okkultasjonen var forårsaket av månen.
I juli 1989 oppdaget Voyager 2 den indre månen Despina, sammen med Proteus. I september 1989 oppdaget Voyager 2 de tre andre indre månene Naiad, Thalassa og Galatea. Den uregelmessig formede Proteus er så stor som et legeme med denne tettheten kan ha uten å bli trukket inn i en sfærisk form av sin egen tyngdekraft. Den er den nest mest massive av Neptuns måner, men massen er likevel bare 0,25 % av massen til Triton. 
Fire irregulære måner ble oppdaget i 2002: Halimede, Sao, Laomedeia og Neso. Den irregulære månen Psamathe ble oppdaget i 2003. Alle fem oppdagelsene ble kunngjort 18. august 2004. Siden Neptun var romernes havgud, ble månene oppkalt etter mindre havguder.
Den 14. månen, Hippocamp, er en regulær måne. Den ble oppdaget av Mark Showalter den 1. juli 2013 mens han gikk gjennom bilder tatt av Hubble-teleskopet i 2004.

Observasjon

Neptun er aldri synlig for det blotte øye. Den har en lysstyrke mellom størrelsesklasse 7,7 og 8,0, noe som kan komme i skyggen av Jupiters galileiske måner, dvergplaneten Ceres og asteroidene 4 Vesta, 2 Pallas, 7 Iris, 3 Juno og 6 Hebe. Et teleskop eller en sterk kikkert vil syne Neptun som en blå skive, lignende Uranus av utseende.
På grunn av avstanden mellom jorden og Neptun går vinkeldiameteren til planeten bare fra 2,2–2,4 buesekunder, den minste av solsystemets planeter. Den lille tilsynelatende størrelsen har gjort det utfordrende å studere planeten visuelt. De fleste teleskopdataene var ganske begrenset frem til Hubble-teleskopet og store bakkebaserte teleskop med adaptiv optikk ble tatt i bruk.
Fra jorden går Neptun gjennom en tilsynelatende retrograd bevegelse hver 367. dag, noe som resulterer i en loop-bevegelse mot bakgrunnsstjernene under hver opposisjon. Disse loopene brakte den nær koordinatene for oppdagelsen i 1846, i april og juli 2010, og i oktober og november 2011.
Observasjon av Neptun i radiofrekvensbandet viser at planeten er en kilde for både kontinuerlige utslipp og uregelmessige utblåsinger. Begge kildene antas å stamme fra planetens roterende magnetfelt. I den infrarøde delen av spektret vises Neptuns stormer som lyse mot den kjøligere bakgrunnen, hvilket gjør at størrelsen og formen på disse formasjonene lett kan spores.

Utforskning

Voyager 2s nærmeste tilnærming til Neptun fant sted 25. august 1989. Siden dette var den siste store planeten fartøyet skulle besøke, ble det besluttet å gjennomføre en nær forbiflyvning av månen Triton, uavhengig av konsekvensen for banen, tilsvarende det som ble gjort for Voyager 1s møte med Saturn og dens måne Titan. Bildene som ble sendt tilbake til jorden fra Voyager 2 ble grunnlaget for en nattsending fra PBS, Neptune All Night.
Under møtet tok det 246 minutter før signalene fra romsonden nådde jorden. Derfor var det meste av Voyager 2-oppdraget basert på forhåndsprogrammerte kommandoer. Romfartøyet gjennomførte et nær-møte med månen Nereid før den kom innenfor 4 400 km av Neptuns atmosfære 25. august, for så å passere nær planetens nærmeste måne Triton senere den samme dagen.
Romsonden bekreftet eksistensen av et magnetfelt rundt planeten og oppdaget at feltet var sidesatt fra sentrum og skråstilt på en måte som ligner på feltet rundt Uranus. Spørsmålet om planetens rotasjonsperiode ble avgjort ved hjelp av målinger av radiostråling. Voyager 2 viste også at Neptun hadde et overraskende aktivt værsystem. Seks nye måner ble oppdaget, og det viste seg at planten hadde mer enn én ring.