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海王星（英语：Neptune），太阳系八大行星之一，也是太阳系中距离太阳最远的行星。它是太阳系中体积第四大、质量第三大的行星，其质量约为地球质量的17.1倍，体积约为地球的57.7倍。海王星以罗马神话中的海神尼普顿（Neptunus）命名，其天文学的符号
（♆，Unicode编码U+2646）是希腊神话的海神波塞顿使用的三叉戟。
 旅行者2号于1989年拍摄的海王星（颜色经过校准） | |||||||||||||
| 发现 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 发现者 |  于尔班·勒威耶（法国） 约翰·戈特弗里德·伽勒（德国） 约翰·柯西·亚当斯（英国，有争议） | ||||||||||||
| 发现日期 | 1846年9月23日[1] 普鲁士王国柏林天文台 | ||||||||||||
| 编号 | |||||||||||||
| 形容词 | Neptunian | ||||||||||||
| 轨道参数[3][注 1] | |||||||||||||
| 历元 J2000 | |||||||||||||
| 远日点 | 4,553,946,490 km 30.44125206 AU | ||||||||||||
| 近日点 | 4,452,940,833 km 29.76607095 AU | ||||||||||||
| 半长轴 | 4,503,443,661 km 30.10366151 AU | ||||||||||||
| 离心率 | 0.011214269 | ||||||||||||
| 轨道周期 | 60,327.624 日 165.17156 年 | ||||||||||||
| 会合周期 | 367.49 day[2] | ||||||||||||
| 平均轨道速度 | 5.43 km/s[2] | ||||||||||||
| 平近点角 | 267.767281° | ||||||||||||
| 轨道倾角 | 1.767975° 6.43° to Sun's equator | ||||||||||||
| 升交点黄经 | 131.794310° | ||||||||||||
| 近日点参数 | 265.646853° | ||||||||||||
| 已知卫星 | 16 | ||||||||||||
| 物理特征 | |||||||||||||
| 赤道半径 | 24,764±15 km[4][5] 地球的3.883倍 | ||||||||||||
| 极半径 | 24,341±30 km[4][5] 地球的3.829倍 | ||||||||||||
| 表面积 | 7.6408×109 km²[5][6] 地球的14.94倍 | ||||||||||||
| 体积 | 6.254×1013 km³[2][5] 地球的57.74倍 | ||||||||||||
| 质量 | 1.0243×1026 kg[2] 地球的17.147倍 | ||||||||||||
| 平均密度 | 1.638 g/cm³[2][5] | ||||||||||||
| 表面重力 | 11.15 m/s²[2][5] 1.14 g) | ||||||||||||
| 23.5 km/s[2][5] | |||||||||||||
| 恒星周期 | 0.6 day[2] 15 h 57 min 59 s | ||||||||||||
| 赤道自转速度 | 2.68 km/s 9,660 km/h | ||||||||||||
| 转轴倾角 | 28.32°[2] | ||||||||||||
| 北极赤经 | 17 h 19 min 59 s 299.333°[4] | ||||||||||||
| 北极赤纬 | 42.950°[4] | ||||||||||||
| 反照率 | 0.290 (bond) 0.41 (geom.)[2] | ||||||||||||
| |||||||||||||
| 视星等 | 8.0 to 7.78 [2] | ||||||||||||
| 角直径 | 2.2" — 2.4" [2] | ||||||||||||
| 大气特征[2] | |||||||||||||
| 大气标高 | 19.7±0.6 km | ||||||||||||
| 成分 |
冰： | ||||||||||||
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关于与“海王星”标题相近或相同的条目页，请见“海王星 (消歧义)”。海王星于17世纪时已有观测记录，在1846年9月正式被柏林天文台发现[1]，是唯一一颗通过数学计算预测而非实际观测发现的行星。天文学家利用天王星轨道的摄动现象推测出了海王星的存在与可能的位置，最终被证实，因而其被称为“笔尖上算出的行星”。
作为一个冰巨行星，海王星的大气层主要由氢和氦组成，还有微量的甲烷，使行星呈现淡蓝色[7][8]。因为天王星大气中存在浓雾，所以海王星的蓝色比含有同样质量甲烷的天王星更为鲜艳。海王星上有太阳系最强烈的风，测量到的风速高达每小时2,100公里。[9]迄今为止，仅有美国的旅行者2号飞船曾在1989年8月拜访过海王星[10][11]，并对其南半球的大暗斑和木星的大红斑做了比较。海王星距离太阳比较远，是太阳系中最冷的星球之一，温度约为-218℃（55K）。[12][13]海王星的内核温度约为7,000℃，与太阳表面温度相当，这也和大多数已知的行星相似。
2003年，美国国家航空航天局提出有如卡西尼-惠更斯号科学水准的海王星轨道探测计划，但不使用热滋生反应提供电力的推进装置；这项计划由喷射推进实验室和加州理工学院一起完成。[14]2022年7月，美国的詹姆斯·韦伯望远镜再次对海王星进行了拍摄，30多年来首次清晰地拍摄到海王星的行星环[15]。
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海王星的发现经历了长期的探索过程。早在17世纪，意大利科学家伽利略就曾试图观测并描绘海王星。1612至1613年间，伽利略曾做过两次观测，但因为海王星在他观测时靠近木星（在合的位置），令伽利略将海王星误认为一颗恒星[16]，这使得他未被视为海王星的发现者。在伽利略第一次观测时，海王星在留转向逆行的位置，运动过于微小，以至于伽利略的小型望远镜察觉不出位置的改变[17]。但在2009年，澳洲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][19]。
两个世纪后的1821年，法国天文学家亚历斯·布瓦出版了天王星的轨道表，[20]但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，布瓦因此假设有影响天王星运动的摄动体存在[21]。1845年，英国天文学家及数学家约翰·柯西·亚当斯计算出了这颗可能影响天王星运动的第八颗行星轨道，并将计算结果送交了英国的皇家天文学家乔治·比德尔·艾里。艾里收到稿件后，曾询问了亚当斯一些在计算上的问题，但亚当斯未曾回复，该发现因而被搁置。[19]
1846年，法国工艺学院的天文学教师于尔班·勒威耶依靠自身独立完成了海王星位置的推算。同年，英国的天文学家约翰·赫歇耳也开始拥护以数学的方法去搜寻行星，并说服本国另一位天文学家詹姆斯·查理士着手进行此事[21][22]，但这次的行动又遭遇了延宕和忽视。在多次耽搁之后，查理士于1846年7月勉强开始了搜寻的工作，但最终未能发现海王星。在几乎同一时间，勒威耶也说服德国（时为普鲁士王国）柏林天文台的天文学家约翰·戈特弗里德·伽勒搜寻该行星。当时仍是柏林天文台学生的海因里希·路易·达雷表示他正好完成了勒威耶预测天区的最新星图，可做为寻找新行星时与恒星比对的参考图。最终，在1846年9月23日晚间，海王星被柏林天文台观测发现，其与勒威耶预测的位置相距不到1°[23][24]，但与亚当斯预测的位置相差12°。事后，英国的查理士发现他在8月时已两度观测到海王星，但因为对这件工作抱持漫不经心的态度而未曾进一步的核对[21][25][26]，致使其失去了发现的先机。
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，史学家才得以重新检视天文学家艾根遗产中的海王星文件（来自格林威治天文台的历史文件，可能被艾根窃取近三十年，在他逝世之后才得重见天日）[27]。在检视过这些文件之后，有些史学家认为亚当斯不应该得到与勒威耶相同的殊荣。[28]
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发现之后不久，海王星被称为“天王星外的行星”或“勒威耶的行星”。约翰·戈特弗里德·伽勒是第一位建议将海王星取名的人，他建议将这颗行星称为“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”[29]；在法国，阿拉戈建议将海王星称为“勒威耶”，但在法国之外对此名字的抗议声浪强烈[30]。法国天文年历当时以“赫歇耳”称呼天王星，并以“勒威耶”称呼这颗新发现的行星[31]。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”，而勒威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·斯特鲁维或其子奥托·威廉·冯·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威耶建议的名称。[32]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[33]，而除了天王星之外，都在远古时代就被命名[34]。
在中文、韩文、日文和越南文中，该行星名称的汉字写法均为“海王星”[35][36]。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意义相同。
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海王星的质量为1.0243×1026千克[2]（地球的17倍，木星的1/18.6），是介于地球和气态巨行星之间的中等行星。由于它的质量小于典型的气态巨行星，而且密度、组成成分、内部结构也和它们有显著差别，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[37]，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倍地球质量的铁、镍和硅酸盐构成的混合体，中心压力为7百万巴（7千亿帕），大概为地球中心压力的两倍。海王星地幔的质量相当于10到15个地球质量，富含水、氨、甲烷和其它成分[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被叫作水－氨海洋[38]。
海王星内核的压力是地球表面气压的数百万倍，质量分布不如天王星集中。
大气层占海王星的质量大约10％到20％，甲烷、氨和水的含量随高度降低而上升[12]，而其温度、密度和气压也随之而不断上升，逐渐过渡成为极为炽热和稠密的地幔海洋。
在高海拔处，海王星的大气层由80%的氢和19%的氦组成[12]，也存在微量甲烷。海王星大气层的主要吸收波长为600纳米以上（红色至红外线的光谱位置），使海王星呈现与天王星一样的淡蓝色色调[39]。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更蓝[40]。
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）[41]。平流层在气压低于10−5至10−4巴（1-10帕）处成为热成层[41]，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[42]。高海拔的云出现之处的气压低于1巴，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，大气中可能会形成由氨和硫化氢组成的云。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，可能会发现由氨和硫化氢组成的云[43]。
海王星的高层云会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[44]，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，因为平流层和热成层没有天气活动。2023年8月，海王星的云层可能因太阳耀斑而消失[42]。哈勃空间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。[45][46]
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[12][41]，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[41][47]。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度高[41]。
天王星的热成层有着大约750K的异常高温，其原因至今未明[48][49]。因为这颗行星距离太阳太遥远，高温不可能是从太阳来的紫外线辐射产生。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[43][47]。
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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）。在旅行者2号抵达海王星之前，天王星的磁层倾斜被假设为侧向自转的结果，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之水－氨海洋的特征。海王星地幔中的导电流体（可能是氨、甲烷和水的混合体）[43]可能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[50]。由于内部巨大的压力，这些导电体有可能是金属氢[51][52]，甚至可能有金属铵[53][54][55]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）[56]，对应的磁偶极矩大约为2.2 × 1017 T·m3（14 μT·RN3，此处RN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场偶极矩都非常小（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[57][58]。
旅行者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空间望远镜，并没有看到极光，与天王星清晰的极光形成鲜明对比[59][60]。
海王星的磁层抵挡太阳风产生的弓形激波出现在距离行星半径34.9倍之处。海王星的磁层顶位于海王星半径的23-26.5倍之处，磁尾至少延伸至海王星半径的72倍，并且还会伸展至更远[57]。
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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。海王星的早期伪色图片夸大了其颜色，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。[61][62]
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海王星和天王星的气象活动程度很不同。1986年，当旅行者2号航天器飞经天王星时，该行星视觉上色彩相当均匀，没有观察到明显天气现象，而在1989年旅行者2号飞越期间，海王星则有明显的天气现象[66]。海王星的大气层中有太阳系中最为剧烈的风暴系统，其风速达到大约时速2,100公里的超音速[9]，可能是由于海王星内部热流的推动。在赤道带区域，风速则普遍达到大约1,200公里每小时。根据蒲福风级（目前世界气象组织所建议的分级），12级风的时速仅为118公里左右。[67]
2007年，科学家发现海王星的南极比其表面的平均温度（大约为−200℃）高出约10℃，此温度足以让甲烷解冻释放到南极的平流层[68]，而在其它区域海王星的上层大气中甲烷是被冻结着的。这个相对热点的形成是因为海王星的轨道倾角使得其南极在过去的40年受到太阳光照射，而一海王星年相当于165地球年。随着海王星慢慢地移近太阳，南极将逐渐变暗，而北极则被太阳光照亮，这使得甲烷释放区域将从南极转移向北极。[69][70]
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[66]，与欧亚大陆大小相当。这个风暴和木星上的大红斑类似，是一个反气旋风暴。然而在1994年11月2日，哈勃空间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[71]。
“滑行车”（Scooter）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[72]。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。
小暗斑是一场位于海王星南部的飓风风暴，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2号的接近过程中，一个明亮的核心逐渐形成，并且出现在大多数最高分辨率的图像上[73]。
2018年，有一个新的主暗斑和较细的暗斑被识别和研究。[74]2023年，人类首次在地球表面观测海王星暗斑。[75]
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，[76]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。[44]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[77]。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。当黑斑迁移至赤道附近的时候，它们可能会由于某些未知机制而消失[78]。
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℃），[79]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，但两者的差异显著：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%，[41]但辐射出了从太阳中接收到的能量的2.61倍[80]，大到维持了太阳系所有行星中已知的最高速风暴，而天王星只有1.1倍[81]。学者对其内部热源有几种解释，包括行星核心的放射热源[82]、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[83][84]，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[85]。
海王星有如此猛烈的风暴的另一个可能原因是，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，[86]因而这些风暴也可能有着尚未确定的内在能量来源。
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海王星有16颗已知的天然卫星[87]。其中最大的、也是唯一拥有足够质量成为球体的海卫一在海王星被发现17天以后就被威廉·拉塞尔发现了。[19]与其他太阳系行星的大型卫星不同，海卫一以逆行轨道运行，说明它是被海王星俘获的，并很可能曾经是一个柯伊伯带天体[88]。它与海王星的距离足够近，所以它被锁定在同步轨道上。海卫一将经螺旋轨道缓慢接近海王星，在大约三十六亿年后到达洛希极限，被海王星的引力撕裂[89]。海卫一是太阳系中被测量到的最冷的天体[90]，温度为−235℃（38K）[91][92]，这是因为海卫一的反照率非常高，使其反射大量阳光。[93][94]
海王星第二个已知卫星（依发现顺序）是形状不规则的海卫二，它的轨道是太阳系中离心率最大的卫星轨道之一。从1989年7月到9月，旅行者2号发现了六个新的海王星卫星[95]。其中形状不规则的海卫八以拥有一个达到其极限密度而不会被它自身的引力变成球体的最大体积而闻名[96]。尽管它是质量第二大的海王星卫星，它的质量仅有海卫一质量的0.25%。最靠近海王星的海卫三、海卫四、海卫五和海卫六，轨道在海王星的环之内。第二靠外卫星的海卫七在1981年被观察到，当时它遮挡了一颗恒星。起初掩星的原因被归结为行星环上的弧，但据1989年“旅行者2号”的观察，才发现是由卫星造成的。五个在2002年和2003之间发现的形状不规则卫星在2004年被公开。[97][98]而现在已知体积最小的一颗卫星，S/2004 N 1则于2013年7月宣布发现，这颗卫星是以结合多张哈勃空间望远镜的影像而被发现[99]。由于海王星得名于罗马神话的海神，它的卫星都以较低等的海神命名。[33]
海王星有着暗淡的天蓝色圆环，但与土星比起来相去甚远[100]。这些环可能由覆有硅酸盐或含碳物质的冰粒组成，使它们呈现微红色色调[101]。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，勒威耶环距中心53,000公里，更宽、更暗的伽勒环距中心42,000公里。勒威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[102]。
以爱德华·奎南为首的团队在1968年发现第一个环[103][104]，这些环在1980年代初期曾被认为也许是不完整的[105]，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[106]。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。
最外层的圆环亚当斯，包含五段显著的弧，现在名为“Courage”、“Liberté”、“Egalité 1”、“Egalité 2”和“Fraternité”（勇气、自由、平等一、平等二、博爱）[107]。 该段弧至今仍难以被科学家理解，因为运动定律预示弧应在不长的时间内变成平均的圆环。天文学家认为，这可能是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，海王星环发生了显著的退化，特别是“自由弧”，也许在一个世纪左右就会消失。[110]
在1980年至2000年间，主要因为季节的变化，海王星亮度增加了10%[111]。在2024年，海王星的亮度在视星等+7.78+0.06
−0.06[112]。而在1980年之前，这颗行星的视星等则为8.0。[112]海王星由于太过暗淡，肉眼不可见，比木星的伽利略卫星、矮行星谷神星和小行星灶神星、智神星、虹神星、婚神星和韶神星都暗。在使用天文望远镜或优质双筒望远镜中观察海王星时，海王星会显现为一个与天王星很相似的小型蓝色圆盘。[113]
海王星离地球较远，其角直径只有2.2-2.4角秒，是太阳系行星中最小的[2][114]。它的视径之小给研究造成不少困难，因为从望远镜中获得的数据相当有限，这种情况在哈勃空间望远镜、大型地基望远镜与自适应光学技术出现后才获得改善[115][116][117]。1997年，天文学家使用了自适应光学技术的望远镜在夏威夷首次对海王星作出了科学性的观测。[118]自1990年代中期以来，哈勃空间望远镜和其他地面望远镜都发现了不少太阳系的星体，包括外行星的卫星，例如在2004至2005年间发现的五颗直径介于38至61公里的海王星卫星。[119]
由地球上观测海王星，每367天便可以看到海王星的逆行运动，导致在每次冲期间，海王星都会以相对背景恒星的循环运动。这运动令海王星于2010年4月和7月、2011年10月和11月在天空中接近1846年行星初次被发现时的座标[120]。
在无线电频段对海王星的观测表明，海王星是一些连续物质发射和不规则爆发的来源，这些来源都被认为源自海王星的旋转磁场[43]。而从红外线区观测，可以看到海王星的风暴在较冷的背景下显得明亮，使得这些特征的大小和形状易于追踪[121]。
1989年8月25日，旅行者2号最接近海王星，而旅行者2号是直到目前为止唯一造访过海王星的人类航天器。因为这是旅行者2号飞船所要飞近的最后一个主要行星，它以近距离飞越海卫一，而不考虑轨道方向的变动，正如旅行者1号飞越土星时采用接近土卫六的轨道以观察卫星的行动。1989年，PBS用从“旅行者2号”传回地球的图像制作了一个名为Neptune All Night的整晚节目。[122]
旅行者2号在1989年8月25日进入距离海王星大气层4,400公里以内的地方，在这之前近距离飞越了海卫二，并在同一天晚些时侯靠近海卫一[123]。
这次飞越发现了海王星拥有磁场，而磁场也类似天王星的一般倾斜。旅行者2号还发现了六颗新卫星，也表明海王星有一个非常活跃的天气系统，并发现海王星环并不止一个[95][123]。
这次飞越也首次准确测量海王星的质量，结果比以前估计的要少0.5%，反驳了一个认为第九行星干扰海王星和天王星轨道的假设[124][125]。这次探测也发现了大暗斑。
2018年，中国国家航天局提出神梭计划[126]，由两个探测器以不同路径探索日球层顶，第二个探测器IHP-2预定会在2038年1月在距离海王星云顶1,000公里上飞掠，并可能在飞掠前释放大气撞击器[127]，之后，它将继续执行其任务，穿过柯伊伯带，前往日球层顶。
海王星与太阳之间的平均距离为45亿公里（30.1天文单位）。海王星的轨道周期（年）大约相当于164.79地球年，并有着±0.1年的变动[2]。2011年7月12日，海王星自发现以来首次完成一个完整轨道[128]，回到1846年被发现时的那个点。[120]由于地球为于其365.25天周期轨道的另一处，以致海王星在这次回归在天空中的位置和它在1846年被发现时的那个位置不一样。由于太阳也和太阳系重心有相对运动，在7月11日，海王星也不在1846年被发现时的确切位置，当使用常用的日心座标系，该位置会在7月12日才抵达。[129][130][131][120]
海王星的轨道偏心率为0.008678，使其成为太阳系中轨道第二圆的行星，仅次于金星。[132]
海王星的自转周期（日）大约是16.11小时[129]，自转轴倾角为28.32°[133]。海王星的自转轴倾角与地球（23.45°）和火星（25°）相近，所以海王星有与地球相似的季节变化[134]。由于海王星是气体行星，其大气层会有不同的自转周期。在赤道附近，自转周期为18小时，而在极地则只有12小时，这差异在太阳系的行星中是最明显的[135]，并会导致严重的纬度风切[44]。
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