海王星(太阳系距离太阳最远的行星)

海王星(Neptune)是太阳系中的第八颗行星，也是国际天文学联合会认可的太阳系中距离太阳最远的行星。它在太阳系中拥有第四大的直径、第三大的质量，是密度最大的气态巨行星。海王星的质量是地球的17倍，略高于它的”双胞胎”天王星。与天王星相比，海王星的密度更高，体积较小，这是因为它更大的质量导致更多的引力对大气的压缩作用。这颗行星主要由气体和液体组成，没有明确的固体表面可言。海王星每164.8年绕太阳一次，平均距离为30.1天文单位（45亿公里）。它以罗马神话中的海神命名，其象征为天文符号中的三叉戟♆。

海王星是一颗肉眼无法观测到的行星，实际上，它是太阳系中唯一通过数学计算而非经验观测而被发现的行星。它的存在是基于对天王星轨道的异常变化所做的数学预测，这些变化被认为是由未知行星的引力摄动所导致的。最终，海王星的位置是由约翰·库奇·亚当斯和乌尔班·勒维里尔两人各自独立计算出来的。约翰·加勒于1846年9月23日首次用望远镜观测到海王星，其位置与勒维里尔的预测相当吻合。随后不久，海王星最大的卫星，即海卫一，也被发现。然而，在20世纪之前，没有望远镜定位出这颗行星的剩余13颗已知卫星。由于海王星与地球的距离非常遥远，因此它在天空中的视直径非常小，这使得使用地球上的望远镜进行详细研究具有极大挑战性。1989年，旅行者2号探测器才飞越海王星，成为迄今为止唯一一次探访海王星的太空探测器。近年来，有了哈勃空间望远镜以及配备自适应光学元件的大型地面望远镜，这些仪器使我们能够更详细地观测这颗遥远的行星。

海王星的大气层与其他气态巨行星（如木星和土星）相似，主要由氢和氦组成，同时含有微量的碳氢和可能的氮。不过，与其他气态巨行星相比，海王星的大气层中含有更高比例的冰，包括水、氨和甲烷。此外，海王星的内部主要由冰和岩石组成，因此它通常被归类为“冰气态巨行星”，以与其他气态巨行星区分开来。海王星呈现出蓝色的外观，这一特征部分得益于大气层中甲的存在，特别是在最外层区域。这些甲烷在阳光下发生瑞利散射，导致了海王星呈现出蓝色的外观。最新来自双子座天文台的数据表明，海王星的蓝色比天王星更加饱和，部分原因是由于海王星大气层中更活跃的薄雾层。

相对于天王星的朦胧和相对没有特征的大气层，海王星的大气层表现的更加活跃。在1989年旅行者2号探测器飞越时，南半球出现了一个巨大的黑斑，类似于木星上的大红斑。2018年发现并研究了一个新的主黑斑以及一些较小的黑点。这些气象现象表明海王星的大气层存在着丰富多彩的变化。海王星的天气模式是由整个太阳系中最强烈的持续风驱动的。根据记录，海王星大气中的风速可高达每小时2,100公里（580米/秒）。这一强烈的风系统在海王星的大气中不断地引发动态变化。由于距离太阳极远，海王星的外层大气是太阳系中最寒冷的，其云层顶部的温度降至约55K（相当于-218°C或-361°F）。然而，行星核心的温度则远高于此，达到约5,400K（5,100°C）。海王星拥有一个微弱而分散的环系统，通常被称为“弧环”。这一环系统在1984年首次被观测到，后来被旅行者2号探测器所证实。

基本参数

起源与演化

海王星和天王星这两颗冰质气态巨行星的形成一直是一个难以精确模拟的谜题。截至2023年10月的模型表明，太阳系外部区域的物质密度过低，无法用传统的核心吸积方式来解释这些庞大天体的形成。因此，人们提出了多种假说来解释它们的起源。其中一种假说认为，冰巨星的形成不是通过核心吸积而来，而是源于原行星盘内的不稳定性。随后，这些行星的大气层受到了附近一颗质量巨大的OB型恒星的辐射压力，部分物质被炸飞，其中一部分形成了天王星和海王星。另一个假说则提出，这些行星约在45亿年前在距离太阳更近的地方形成，那里的物质密度更高，然后在气态原行星圆盘被移除之后，约40亿年前它们迁移到了它们当前的轨道上。这种形成后迁移的理论得到了支持，因为它能更好地解释在跨越海王星区域观察到的小型天体的构成比例。其中最为广泛接受的解释被称为尼斯模型，它详细探讨了海王星的迁移和其他气态巨行星对柯伊伯带结构的影响。

根据尼斯模型，太阳系的四颗巨大行星（木星、土星、天王星和海王星）最初形成在比它们现在的轨道更接近太阳的初始轨道上，大约在5.5到17天文单位（AU）之间。在它们外侧，有一个包含大量小天体（由岩石和冰组成）的外盘，延伸到35天文单位（AU），总质量约为35个地球质量。外盘内的小天体不断受到最外面的巨大行星的引力影响，并与行星交换角动量，导致它们改变轨道并向内移动，行星则向外移动。随着时间的推移，这个过程一次次地重复，导致天王星、海王星和土星的轨道大规模向外迁移。小天体最终与最内侧的巨大行星木星发生引力相互作用。木星的强大引力可以将这些小天体送到高度偏心的轨道上，甚至有些被抛出太阳系，而木星本身也略微向内迁移。在数亿年的时间里，木星和土星达到了1:2的平均运动共振，导致它们的轨道偏心率增大，使太阳系的稳定性受到威胁，巨大行星的排列也发生了剧烈变化。最终，木星和土星趋向了它们现在的稳定轨道。天王星和海王星的轨道则受到土星引力的影响而发生了变化，并最终到达现在的公转轨道。

发现与命名

命名

海王星最初被简单地称为“天王星的外行星”或“奥本·勒维耶的行星”。第一个命名建议是由加勒提出的，他提出了“Janus”这个名字。在英国，威尔士亲王查尔斯提出了“Oceanus”这个名字。而在法国，勒维耶为这颗新行星提议了“Neptune”的名字。之后，他还试图以自己的名字“Le Verrier”命名这颗行星，得到了法国天文台台长弗朗索瓦·阿拉戈（François Arago）的支持。当时，法国历书使用“Leverrier”这个名字来指代海王星。1846年12月29日，瓦西里·斯特鲁维（Stuve）向圣彼得堡科学院提议支持使用“海王星”这个名字。很快，海王星成为国际公认的名字。在罗马神话中，Neptune是海神，与希腊神话中的Poseidon相对应。值得一提的是，所有八大行星都以希腊和罗马神话中的神灵命名。

绝大多数语言都采用“Neptune”名称的某种变体来表示海王星。在中文、越南语、日语和朝鲜语中，这颗行星的名字被翻译为“海王星”。而在蒙古语中，海王星被称为Dalain van（Далайн ван），与其同名的神是海洋的统治者。在现代希腊语中，这颗行星被称为Poseidon（Ποσειδώνας，Poseidonas），是Neptune的希腊语对应词。在希伯来语中，这颗行星被称为Rahab（רהב），这个名字来源于圣经中提到的海怪，在2009年由希伯来语言学院的一次投票中被选为海王星的正式名称。在毛利语中，这颗行星被称为Tangaroa，以毛利人的海神命名。在纳瓦特尔语中，这颗行星被称为Tlāloccītlalli，以雨神Tlāloc命名。而在泰语中，海王星以其西化的名称Dao Nepchun/Nepjun (ดาวเนปจูน)来称呼，但也有人称之为Dao Ket (ดาวเกตุ)，意为“点亮Ketu之星”。

发现

在1612年12月28日和1613年1月27日，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）观测到了海王星，并在记录中标出了一些与现在已知的海王星在这些日期的位置相符的记录点。这些观测记录代表着有史以来最早使用望远镜进行的关于海王星的观测。然而，伽利略·伽利雷错误地将海王星误认为是一颗位于木星附近的恒星，因此他没有被认可为海王星的发现者。在1612年12月的第一次观测中，海王星几乎在天空中静止不动。这是因为在那一天，海王星刚刚开始了其每年的逆行运动周期，而行星的运动变化非常微小，以至于伽利略·伽利莱使用的小型望远镜无法察觉到其位置的变化。1795年5月，J. J.德·拉兰德（J.J. de Lalande）也通过望远镜观测到了海王星，但同样将其误认为是一颗恒星。

在1781年发现了天王星之后，它的观测轨迹一直偏离了根据万有引力定律所预测的轨道位置。这引发了天文学家的猜测，认为可能存在更遥远的行星干扰了天王星的轨道。于是，在1845年，英国剑桥大学的约翰·柯西·亚当斯（John Couch Adams）和法国巴黎天文台的于尔班·让·约瑟夫·勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）分别独立计算出这颗假设行星的预期位置。随后，于1846年9月23日晚，德国柏林天文台的约翰·戈特弗里德·加勒（Johann Gottfried Galle）在勒维耶预测的位置附近成功发现了海王星。

物理特性

海王星的质量约为1.0243×10^26千克，位于地球和较大的气态巨行星之间，它是地球质量的17倍，但只有木星质量的1/19。海王星的表面重力加速度为11.27米/秒²（压力为1巴时），相当于地球表面重力的1.14倍，仅次于木星。而海王星的赤道半径约为24,764公里，几乎是地球半径的四倍。海王星和天王星与木星、土星相比，相对较小且挥发物浓度更高，所以海王星和天王星被归类为冰巨星，属于巨行星的一个亚类。在寻找太阳系外行星时，海王星通常被用作代名词：发现的类似质量的外层空间天体常被称为“海王星”，就像科学家将各种类似太阳系外天体称为“木星”一样。

内部结构

海王星的内部结构与天王星相似。它的大气层约占其质量的5%至10%，并且可能向核心延伸10%至20%。大气中的压力极高，达到约10GPa，相当于地球大气层压力的10万倍。在大气的较低区域，甲烷、氨和水的浓度逐渐增加。海王星的地幔相当于10至15个地球质量，富含水、氨和甲烷。按照行星科学的传统，这种混合物被称为冰，尽管它实际上是一种高温高密度的流体，有时被称为水-氨海洋，因为它具有很高的导电性。地幔可能包括一个离子水层，其中水分子分解成氢和氧离子的混合物，以及更深的超离子水层，其中氧结晶而氢离子在氧晶格内自由移动。在大约7,000公里的深度，甲烷可能分解成钻石晶体，就像钻石雨一样向下降落。科学家认为，类似的现象也可能发生在木星、土星和天王星上。根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室的超高压实验，地幔的顶部可能是液态碳的海洋，上面漂浮着漂浮的固体"钻石"。海王星的核心可能由铁、和硅酸盐组成，内部模型的质量约为地球的1.2倍。核心的压力达到了7兆巴（700 GPa），大约是地球核心压力的两倍，温度可能高达5,400 K。

大气情况

海王星的大气层在高海拔地区主要由氢和氦组成，氢占80%，氦占19%，此外还有微量的甲烷。甲烷在大气中的吸收光谱中，在波长高于600nm时产生明显的吸收带。这种甲烷的吸收是导致海王星呈现蓝色外观的一部分。海王星的大气可分为两个主要区域：对流层和平流层。对流层下部的温度随着高度的增加而下降，而平流层中的温度则随高度的增加而上升。这两者之间的边界，也就是对流层顶，位于0.1巴（10kPa）的压力下。随后，平流层在压力10−5至10 −4 巴的位置逐渐过渡为热层，热层则最终过渡为外逸层。根据模型，海王星的对流层具有不同成分的云带，具体取决于高度。较高层次的云层的压力低于1巴，适合甲烷凝结。在1到5巴（100至500 kPa）之间的压力下，预计会形成氨和硫化氢云。在超过五巴的压力下，云层可能由氨、硫化铵、硫化氢和水组成。在约50巴（5.0MPa）的深度处，可能存在更深的水冰云，温度达到273K（0°C）。在更深的层次，可能存在氨和硫化氢云。已观察到高空云层在下方不透明云层上投下阴影。此外，存在着高海拔的云带，围绕行星的恒定纬度环绕，宽度在50-150公里之间，距离云层约50-110公里。这些云层位于对流层，不会发生在较高的平流层或热层。值得注意的是，2023年8月，海王星的云层突然消失，原因可能是与“太阳耀斑”有关。科学家通过哈勃空间望远镜和地面望远镜观测发现，海王星的云活动与太阳周期有关，而不是与行星的季节有关。另外，海王星的光谱显示，在平流层下部，由于甲烷的紫外光解产物（如乙烷和乙炔）的凝结，使得大气变得朦胧。平流层还包含微量的一氧化碳和氢氰酸。由于碳氢化合物浓度较高，海王星的平流层相对于天王星而言较温暖。然而，仍有一个谜团，即海王星的热层处于异常高的温度，大约为750K。由于海王星距离太阳较远，不可能由太阳紫外线辐射产生这种高温。一个可能的加热机制是大气与行星磁场中的离子相互作用。另一个可能是来自内部的引力波，它们在大气中传播并最终被耗散。热层中还含有微量的二氧化碳和水，这些物质可能来自外部源头，如石陨石和尘埃。

气候

海王星的天气极其活跃，其中的风暴系统表现得异常剧烈，其风速甚至可以达到近600米/秒（2,200公里/小时），超过了音速。更值得注意的是，通过对持续云团的观察，科学家已经发现风速在不同位置之间变化巨大，从东向西的范围从20米/秒到325米/秒不等。在云顶高度，赤道地区的风速约为400米/秒，而在两极附近为250米/秒左右。值得一提的是，海王星上的大部分风都呈逆时针方向，即与行星自转相反。高纬度地区风向呈正时针旋转，而低纬度地区风向则呈逆时针旋转。这种风向差异被解释为一种称为“趋肤效应”的现象，而非来自更深层次的大气运动。在南纬70°处，风速高达300米/秒。与天王星相比，海王星的气象活动要活跃很多。这一差异在1989年旅行者2号探测器飞越海王星时首次观测到。旅行者2号飞越天王星时，并没有观察到类似的天气现象。海王星的赤道地区富含甲烷、乙烷和乙炔，丰度是两极地区的10到100倍。科学家解释这一现象是由赤道地区的上升流和两极地区的沉降运动所引发的，因为单纯的光化学过程无法解释这种种类分布的情况。另一个引人注目的特征是海王星南极的对流层上层比其余部分高出约10K，平均温度大约为73K（-200°C）。这种温度差异足以导致对流层中的甲烷从其他地方逃逸到极点附近的平流层中。这种相对的“热点”是由于海王星的轴倾斜，使得南极在海王星年的最后四分之一或约40个地球年中暴露在太阳照射下。当海王星逐渐转向太阳的另一侧时，南极将变得更加黑暗，而北极则会受到照射，导致甲烷的释放从南极转移到北极。这种季节性变化导致观测到海王星南半球的云带在大小和反射率上增加。这种季节性趋势的周期极长，需要四十年才能完成一次，因为海王星具有漫长的轨道周期。

风暴

1989年，美国航空航天局的旅行者2号探测器探测器在海王星上发现了一个异常巨大的风暴系统，即大黑斑，其横跨范围达到了13,000公里×6,600公里（相当于8,100英里×4,100英里）。这个反气旋风暴令人想起了木星上的大红斑。大约五年后的1994年11月2日，哈勃太空望远镜未能在海王星上找到大黑斑的踪迹。在发现大黑斑消失的同时，科学家们在海王星的北半球发现了一场与大黑斑类似的新风暴。

滑板车（英文：Scooter)，被发现时位于大黑斑的南面，由一群白色云团组成。因为它的移动速度比大黑斑更快，所以它被赋予了这个绰号。旅行者2号探测器发回的图像显示，还有其他云团的移动速度比滑行车更快。

小黑斑则是一场南部的飓风风暴，1989年旅行者2号靠近海王星期间达到了相当强度。这个风暴最初是完全黑暗的，但随着旅行者2号探测器的接近，一个明亮的核心逐渐形成，并在大多数高分辨率的图像中可见。2018年，科学家发现并开始研究一个新的主黑斑以及较小的黑点。最新的消息是，2023年，科学家首次对黑点进行了地面观测，以进一步研究海王星上的黑点现象。

海王星的黑斑据信出现在对流层中，位于较亮的云层之下，因此它们看起来像是上层云层中的孔洞。这些黑斑因其稳定持续数月的特性而被认为是涡旋结构。通常与黑斑相伴的是在对流层顶部周围形成的更明亮且持久的甲烷云伴云的持续存在表明，一些早期的黑点可能继续以气旋的形式存在，即使它们不再暗淡到可以观测。但当黑斑迁移到离赤道太近时，或者可能通过其他一些未知的机制，它们可能会消散。

内部高温

与天王星相比，海王星的天气变化更加剧烈，部分原因是由于其内部拥有更高的热能。海王星的对流层上层区域温度极低，达到了51.8K（-221.3°C）的低温。在大气压等于 1 bar （100 kPa）的深度，温度为 72.00 K （−201.15 °C）。在气体层的更深处，温度稳步上升。海王星的内部能量来源很小，而天王星内部没有散发出可测量的内部热量。海王星是离太阳最远的行星，距离太阳比天王星远50%以上，只接收到约天王星接受到阳光的40%，但其内部热能足以驱动太阳系中最快的行星风。根据其内部的热特性，海王星内部的热能可能是形成过程中残留的热量，这可以解释其目前的情况。更为困难的是在保持两颗行星之间明显相似性的同时解释天王星缺乏内部热量。

磁层

海王星的磁层与天王星相似，其磁场相对于自身的旋转轴强烈倾斜，转轴倾角达到47°，并且偏移了至少0.55个半径，相当于距离行星物理中心约13,500公里。在旅行者2号探测器飞掠海王星之前，有人曾假设天王星磁层的侧向旋转是其磁场倾斜的结果。但当科学家们比较这两颗行星的磁场时，他们认为这种极端方向可能是行星内部流动的产物。这个磁场可能是由导电液体（可能是氨、甲烷和水的组合）在行星内部中对流流动从而引发了一种发电机效应所产生的。

海王星的磁赤道磁场偶极分量约为14微特斯拉（0.14 G）。海王星的偶极磁矩大约为2.2 × 10 17 T·m 3（14μT·RN³，其中RN代表海王星的半径）。这个行星的磁场具有复杂的几何结构，其中包括了来自非偶极分量的相对较大的贡献，这包括强度可能超过偶极矩的强四极矩。与之相比，地球、木星和土星只有相对较小的四极矩，它们的磁场相对于极轴的倾斜较小。海王星的巨大四极矩可能是由于行星内部结构和磁场生成机制的几何约束所导致的。

海王星的弓形冲击现象发生在距离行星表面34.9倍行星半径的地方，这时磁层开始减缓太阳风的影响。磁层顶部是指磁层压力与太阳风平衡的地方，通常位于距离海王星半径的23到26.5倍处。而磁层的尾部则至少延伸到距离海王星半径的72倍，甚至可能更远。

卫星

海王星拥有着14颗已知的卫星。其中，海卫一是这些卫星中最大的一颗，其质量占据了海王星轨道上总质量的99.5%以上，是唯一一颗质量足以使其成为球状天体的卫星。有趣的是，海卫一的轨道是逆行的，这与太阳系中其他大型行星的卫星不同，这一特点表明它可能是被捕获到海王星轨道上的天体，而不是在原地形成的。有学者认为它可能曾经是柯伊伯带中的一颗矮行星。海卫一与海王星的距离非常接近，以至于它被锁定在同步自转状态，而且由于潮汐力的作用，它正在缓慢地向内螺旋加速。根据估算，在大约36亿年后，当海卫一达到所谓的罗氏极限时，它最终将会被潮汐力撕裂。值得一提的是，1989年时，海卫一是太阳系中已知测量到的最冷天体，其温度估计仅为38K（-235°C）。

在海王星的卫星家族中，第二颗被发现的卫星是海卫二（Nereid），它是太阳系中轨道最偏心的卫星，具有0.7512的离心率，其距离海王星最远点的距离是最近点的7倍。 1989年7月至9月，旅行者2号探测器探测器探测到了海王星的六颗卫星。其中，形状不规则的海卫八，自身质量刚好处在临界点不会被自身的重力拉成球形。虽然是质量第二大的海王星卫星，但它的质量只有海卫一的0.25%。海王星最内侧的四个卫星Naiad、Thalassa、Despina和Galatea的轨道位于海王星环内。第二远的卫星海卫七（Larissa），最初是在1981年发现的，当时它掩蔽了一颗恒星。当时把这次掩星归因于海王星环，但当旅行者2号在1989年观测海王星时，发现是Larissa造成的。2004年，宣布了五颗新的不规则卫星的发现，这些卫星发现于2002年至2003年之间。2013年，通过结合哈勃空间望远镜的多张图像，发现了一颗新的小卫星，Hippocamp，它是迄今为止已知的最小的海王星卫星。这些卫星都以罗马神话中的海神命名，以配合海王星这一行星的名称。

海王星卫星数据

海王星环

海王星拥有一组行星环，尽管相比土星而言，它们的质量要小得多。这些环可能由富含硅酸盐或碳基材料的冰颗粒构成，这一成分可能使它们呈现出红色的外观。海王星的主要环系统包括三个主要部分，分别是距离海王星中心63000公里的狭窄的亚当斯环（Adams），53000公里处的列维尔环（ILeVerrier）以及42000公里处的更宽、更昏暗的的加勒环（Galle）。列维尔环（ILeVerrier）的一个微弱外延部分被命名为拉塞尔环（Lassell）;它的外缘以57000公里的阿拉哥环（Arago）为界。

这些行星环的首次观测可以追溯到1968年，当时爱德华·吉南（Edward Guinan）领导的团队首次发现了它们。然而，到了20世纪80年代初，对这些数据的深入分析以及新的观测结果引发了对这一环是否完整的疑问。关于这一环可能存在间隙的观察首次出现在1984年的一次恒星掩星事件中。在这次事件中，环在开始时遮挡了一颗恒星，但在结束时没有遮挡住恒星，这引发了对环的结构和完整性的怀疑。1989年旅行者2号探测器的图像通过显示几个微弱的弧环解决了这个问题。最外层的环亚当斯（Adams）包含五个突出的弧线，现在分别命名为Courage，Liberté，Egalité 1，Egalité 2和Fraternité（勇气，自由，平等和博爱）。这些弧环结构的存在令人困惑，因为根据运动定律的预测，它们本应在短时间内扩散成一个均匀的环。如今，天文学家估计这些弧环结构的形成可能与位于环内侧的海卫六（Galatea）的引力作用有关。海卫六（Galatea）的引力影响导致了这些拱形结构的形成。

根据2005年公布的基于地球观测的结果，似乎海王星环的不稳定性要比之前预期的更加显著。通过对2002年和2003年从W·M·凯克天文台获取的图像进行分析，发现与旅行者2号的图像相比，光环经历了相当大的衰变。特别值得注意的是，自由弧（Liberté）可能在未来一个世纪内消失。

海王星环数据

*Lassell 和Arago最初被确定为一个环，编号为1989N4R

轨道特性

轨道

海王星距离太阳约45亿公里（大约30.1个天文单位（AU）），平均轨道速度为5.45km/s，完成一次轨道运行需要平均164.79年，但这个周期有大约±0.1年的波动。它的近日点距离为29.81天文单位，而远日点距离为30.33天文单位。值得注意的是，海王星的椭圆轨道倾斜角为1.77°，略微倾斜于地球的椭圆轨道。2011年7月11日，海王星完成了自从1846年被发现以来的第一次完整公转，因为地球处于自己公转轨道的不同位置，它并没有出现在最初发现它的位置。

自转

海王星的轴转轴倾角为28.32°，与地球（23°）和火星（25°）相似，因此它经历着与地球相似的季节变化。然而，由于海王星的公转周期非常长，这意味着每个季节都会持续40个地球年。海王星的自转周期（一天）大约为16.11小时。海王星的轴倾角与地球相似，所以在漫长的一年中，它的一天的长度变化并不明显。由于海王星并非固体行星，它的大气层经历着不同的自转速度。在宽赤道区域，自转周期约为18小时，比行星核心的自转速度（16.1小时）慢。相反，在极地区域，自转周期约为12小时。海王星的这种自转速度的不均匀性是太阳系中最显著的，导致了海王星上强烈的纬向风切变。

轨道共振

海王星的轨道对它周边的的区域产生了深远的影响，这部分区域被称为柯伊伯带。柯伊伯带是一个由小冰世界组成的环，类似于小行星带，但规模更大，从海王星的轨道向外延伸至距离太阳约55天文单位。就像木星的引力塑造了小行星带的结构一样，海王星的引力主导了柯伊伯带的演化。在太阳系的演化过程中，海王星的引力对柯伊伯带的某些区域产生了不稳定性，导致了这个区域的结构发生了变化，形成了一些缺口，其中一个例子就是在距离太阳40到42个天文单位之间的区域。

柯伊伯带中也存在一些天体，这些天体可以与海王星保持共振。当海王星的公转周期与某个天体的公转周期形成精确的比例关系时，比如1:2或3:4，就会出现这种共振现象。举例来说，如果一个天体每绕太阳公转两圈，而海王星只绕太阳公转一圈，那么当海王星回到原点时，该天体只绕了半圈。柯伊伯带中有超过200个天体与海王星形成了2:3的共振关系。这种共振中的天体每绕太阳公转3次，则海王星刚好绕太阳公转2次，这类天体被称为plutinos，因为已知的柯伊伯带天体中最大的冥王星（Pluto,）就是其中之一。尽管冥王星的公转轨道经常穿越海王星的公转轨道，但2:3的共振关系确保它们永远不会相撞。此外，还存在一些较少见的共振关系，如3:4、3:5、4:7和2:5。

海王星的轨道上存在许多已知的特洛伊天体，它们位于太阳-海王星L 4 和L 5 拉格朗日点，这两个点分别位于海王星轨道上领先和落后的位置，是引力稳定的地区。这些海王星的特洛伊天体可以看作是与海王星形成了1:1的共振关系。一些特洛伊天体的轨道非常稳定，很可能是与海王星同时形成的，而不是后来被捕获的。2008年LC18是第一个被确认与海王星L5拉格朗日点相关的天体。此外，海王星还有一颗临时的准卫星，被命名为（309239）2007 RW10。这个天体作为海王星的准卫星已经存在了大约12500年，它将在接下来的12500年里保持这种动力学状态。

观测与探索

观测

因为海王星与地球的距离遥远，其角直径仅为2.2到2.4角秒，是太阳系行星中最小的一个。当前的视星等范围在7.67至7.89之间，平均为7.78。这使得肉眼观测几乎不可能，通过望远镜观察，海王星呈现为一个小而蓝色的圆盘，外观与天王星相似。在哈勃太空望远镜和带有自适应光学（AO）装置的大型地面望远镜出现之前，关于海王星的观测数据相当有限。直到1997年，夏威夷开始使用自适应光学技术的地面望远镜进行了首次科学有用的海王星观测。截至2023年9月，海王星正在接近近日点（距离太阳最近的点），并且已经观测到其表面温度升高，因此大气活动和亮度都有所增加。借助技术的进步，带有自适应光学元件的地面望远镜正在记录越来越详细的海王星图像。在2004年和2005年，发现了五颗直径介于38到61公里之间的新的海王星小卫星。2013年，通过哈勃太空望远镜发现了第十四颗卫星。通过对海王星的射电频段观测，科学家们发现它有连续发射和不规则爆发两种情况。这两种情况都被认为与海王星的旋转磁场有关。红外光谱部分的观测，海王星的风暴在较冷的背景下显得明亮，这使得人们能够轻松跟踪这些特征的大小和形状变化。

探测

旅行者2号

1989年8月25日，美国航空航天局发射的旅行者2号探测器掠过海王星，这是人类历史上首次，也是截至到2023年9月到的唯一一次，使用空间探测器探测了海王星。这颗行星是旅行者2号探测器能够访问的最后一个主要行星。旅行者2号以17.1米每秒的最低相对速度，在距离海王星约4827千米的地方掠过，为人类首次揭示了这颗位于地球45亿千米遥远之处的神秘行星的真实面貌。旅行者2号还发现了六颗全新的海王星卫星，首次揭示了海王星拥有五个行星环，其中三个环相对暗淡，而另外两个则相对明亮。此外，旅行者2号探测器还验证了海王星的周围存在一个巨大的磁场，并发现这个磁场相对于行星中心有一定的偏移，呈现出与天王星磁场相似的倾斜角度。旅行者2号还精确测量了海王星的自转周期，并发现了这颗行星拥有活跃的天气系统。此外，旅行者2号还首次准确测量了海王星的质量，结果显示海王星的质量比之前的估算要低0.5%。这一发现否定了一直存在的有关未知行星X对海王星和天王星轨道产生影响的假设。而当旅行者2号穿越海王星的环系时，它记录下了环中微小粒子的撞击事件。在离开海王星时，旅行者2号探测器还成功地进行了一次近距离探测海王星的卫星——海卫一，并在之后传回了清晰的海卫一图像。

通过旅行者2号拍摄的海王星照片，科学家发现海王星的南极地区环绕着两条巨大的黑色风云带，它们的宽度约为4345千米。此外，海王星还存在一个庞大的风暴区域，其面积相当于整个地球，形成了一个类似于木星大红斑的巨大黑斑。这个黑斑以逆时针方向沿着中心轴旋转，每完成一次旋转需要10天的时间。海王星的大部分地区都有极光，宛如地球的南北极一样。海王星的大气层异常不稳定，其中包括大片由冰冻甲烷构成的白云和广泛的气旋。这些气旋的速度惊人，时速可达640千米。此外，在海王星的大气层中，还存在着一层烟雾，这是由于阳光照射大气中的甲烷而形成的。这些发现揭示了海王星极为复杂和多样化的大气环境。

未来探测

国家航天局正在研发一对类似旅行者探测器的星际探测器。这两个探测器计划于2024年发射，将分别选择不同的路径，以深入探索太阳系的边界。其中一个探测器的目标是在2038年1月飞越海王星，它将紧贴海王星云顶掠过，距离云顶仅有1000公里的距离，并且可能携带一个大气撞击器，用于在接近海王星时释放。随后，这枚探测器将继续执行任务，穿越柯伊伯带，前往太阳系的边缘。