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Una vez descubierto Urano, los astrónomos se percataron de que este planeta no se ajustaba a la órbita asignada para él a la vista de los efectos gravitatorios del Sol y los demás planetas conocidos. Se sugirió que la discrepancia se debiera a un planeta más exterior. John Couch Adams, considerando la ley de Titius-Bode, trató de hallar la posición del nuevo planeta, pero se evidenció que la ley fallaba en este caso, aunque ayudó a buscar posibles órbitas. Los británicos vieron con escepticismo el hallazgo del estadounidense y desdeñaron su búsqueda posterior. Tomo el relevo el francés Urbain Le Verrier, quien con ayuda de Johann Galle, del observatorio de Berlín, halló Neptuno en 1896 a un grado de la posición predicha. Resultó ser un astro igual que Urano, ya conocido, pero sin identificar. Se calcula que Neptuno se acercó mucho a Júpiter en enero de 1613. La persona que más probablemente observó ese hecho debió ser Galileo. Entre sus notas hay dibujos que indican que vio Neptuno y observó su movimiento durante un mes, pero creyó que se trataba de una estrella y no de un planeta.

Neptuno y Urano, junto con Júpiter y Saturno forman el grupo de planetas gigantes. En varios aspectos Neptuno es gemelo de Urano. Tiene el 95% del radio de Urano, y su masa es un 16 % mayor. Con una magnitud máxima de 7.7, Neptuno es invisible a simple vista. Pero al telescopio se presenta como un disco verdiazul, semejante a Urano, aplanado en los polos a causa de su rotación. El telescopio revela que Neptuno tiene dos satélites muy irregulares. Triton y Nereida. Nereida, tiene sólo el 6% del diámetro de Tritón y ha sido tal vez capturado. Tiene una órbita extremadamente excéntrica.

Neptuno está a una distancia media de 30.1 UA del Sol, por esa razón recibe muy poco calor y su temperatura es de unos 50 K. Neptuno tiene, al parecer, una fuente interna de calor. Su pequeño tamaño implicaría que esa fuente tendría que ser pequeña. La de calor emisión detectada, es de unos 0.03 microwatios por tonelada de masa, por ello Neptuno tiene la misma temperatura superficial que Urano, aún encontrándose al doble de distancia del Sol que este. Su atmósfera contiene hidrógeno (H₂), helio (He) y metano (CH₄). Una neblina compuesta por cristales de hielo cubre la mitad del planeta, la neblina se evapora y cambia de forma cada pocas semanas. Esta neblina ayuda a Neptuno a retener la poca luz solar que recibe, que se absorbe en la atmósfera alta, pudiendo haber una inversión térmica en esa región. En 1980 se descubrió que la mayor actividad solar se traduce en una disminución de la magnitud del planeta, posiblemente por la formación y evaporación de dicha neblina. Se aprecia también en su atmósfera que, mientras la parte superior rota una vez cada 17.7 horas, la inferior lo hace a 18.4 horas, lo cual ocasiona vientos huracanados. Su estructura es similar a la de Urano, con un núcleo rocoso cubierto por una capa de hielo.