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Der äußerste der Riesenplaneten wurde erst am 23. September 1846 von Johann Gottfried Galle und Heinrich Louis d‘Arrest an der damaligen Berliner Sternwarte aufgespürt. Aufgrund der unregelmäßigen Bahnbewegung des Uranus hatten John Coach Adams in England und Urbain Jean Joseph Le Verrier in Frankreich die Position am Himmel unabhängig voneinander richtig vorhergesagt. Es wird vermutet, dass bereits 233 Jahre zuvor Galileo Galilei den Planeten unwissentlich gesehen hatte.

Die Masse des Neptun beträgt 17,15 Erdmassen, und der Durchmesser am Äquator umfasst 49.492 Kilometer, sodass in seinem Innern etwa 60 Erdkugeln untergebracht werden könnten. Da Neptun etwas kleiner und massereicher als Uranus ist, fällt seine mittlere Dichte um etwa 25 Prozent höher aus.

Im Jahr 1984 wurden bei Sternbedeckungen erstmals Ringbögen um Neptun entdeckt, ein wichtiger Hinweis auf ein mögliches Ringsystem. Auf den Bildern der Raumsonde Voyager 2 waren fünf Jahre später zwei schmale, vollständige, scharf begrenzte Hauptringe mit Radien von 63.000 bzw. 53.000 Kilometern und einer Breite von jeweils 10 bis 15 Kilometern zu erkennen.

Neptun hat insgesamt vierzehn bekannte Monde, von denen sich Triton und Nereide außerhalb des Ringsystems befinden und schon vor dem Vorbeiflug von Voyager 2 bekannt waren. Triton ist der größte Mond des Neptun. Er besitzt eine dünne Atmosphäre aus Stickstoff und Methan. Mit einem Durchmesser von 2705 Kilometern ist er etwas kleiner als der Erdmond, lässt aber eine überraschende Vielfalt an Oberflächenstrukturen erkennen. Die mittlere Dichte von 2059 ± 5 kg/m3 entspricht einem relativ hohen Gesteinsanteil. Nereide ist der kleinere und äußere der beiden schon lange bekannten Monde und bewegt sich auf einer extrem elliptischen Bahn.

Triton ist wahrscheinlich der einzige größere Trabant im Sonnensystem, der nicht gemeinsam mit seinem Zentralplaneten entstanden ist. Denn Triton umläuft Neptun auf einer nahezu kreisförmigen Bahn, die etwa 23 Grad gegenüber dessen Äquatorialebene geneigt ist und entgegen der Rotationsrichtung des Neptun verläuft. Vermutlich gehörte Triton ursprünglich wie Pluto zur Klasse der Zwergplaneten und wurde beim Kreuzen der Neptunbahn aus dem inneren Kuipergürtel „eingefangen“. Starke Gezeiteneffekte sorgten dafür, dass die Rotations- und Umlaufdauer von Triton rasch miteinander synchronisiert wurden. Die anfangs elliptische Tritonbahn erreichte somit frühzeitig ihre heutige Kreisform, wobei ähnlich dem Erde-Mond-System eine Tritonhemisphäre stets Neptun zugewandt ist und die andere nach außen zeigt.