海王星是太阳系的第八颗行星，也是距离我们最远的行星。它到太阳的距离是地球到太阳距离的30倍，也就是30个天文单位，45亿多公里。这个距离使得太阳光到达那里都需要四个小时，所以海王星也是太阳系最冷的地方之一，仅次于天王星。它的平均温度约为零下214摄氏度。而且海王星有时候比冥王星离太阳都要远，因为冥王星的轨道是这种高度偏心的椭圆形轨道。海王星的轨道相对来说要更圆一点，所以每248年冥王星就会走到海王星的轨道里面。这期间，它要走上20年。上一次出现这种情况是从1979年的一月一直持续到1999年的二月。在这段时间里，冥王星是一直比海王星更接近太阳的。下一次发生这种情况要等到2227年。

也正是因为海王星距离太远了，所以它的轨道周期也是太阳系所有行星中最长的。它绕太阳公转一圈，大约需要165年。并且它的自转轴倾斜角是28.3度，跟地球的23.5度很相近，所以海王星也存在这种四季轮换。每个季节大约会持续40年。虽然公转周期非常慢，但是它的自转周期还是比较快的，自转一圈平均只需要16个小时。那为什么要说平均呢？大家还记得太阳吗？太阳是个等离子体，是一个流动性很强的球体，所以纬度不同，自转速度也不同。太阳赤道附近的自转速度是最快的，越往两极自转速度就越慢。这种现象在海王星身上也存在，因为海王星也不是像地球这种岩石行星，从内到外的固体物质很少，所以不同部分自转速度也不同。

海王星赤道附近大约需要18个小时才能自转一圈，而两极附近反而更快一点，大约需要12个小时就能自转一次。而且它这个自转速度差是所有气态行星中最大的，这让海王星成了太阳系风最大的行星。海王星上的风力是木星的三倍，地球的九倍，最高风速达到了每小时2200公里，也就是每秒600多米，几乎是地球音速的两位数。地球上最强的风速也就只有大约400公里，海王星的风速比地球快了五倍。而且海王星上也有跟木星大红斑相似的反气旋风暴。这个风暴的名字也很直接，就叫大黑斑。旅行者二号在1989年的时候发现了第一个大黑斑。这个椭圆形的大黑斑，长一万三千千米，宽六千六百千米，放下一个地球完全不是问题。

他跟木星大红斑最大的区别就是他的寿命不长。大红斑在木星上都已经持续刮了400多年，但是这个大黑斑只存在了不到六年。在1994年11月的时候，哈勃太空望远镜就找不到它了，已经完全消失了。但是与此同时，海王星的北半球又出现了一个新的黑斑。这个黑斑比较小，直径只有3900千米，我们就称它为小黑斑吧。这个小黑斑一直持续到2000年又彻底消失了。

然后在2016年，海王星北半球又出现了一个黑斑。这个黑斑跟1989年发现的大黑斑几乎一样大，我们就叫它北大黑斑吧。这个北大黑斑发现的前几年一直都是可见的。不过这些年也已经找不到它了。一方面是这些黑斑一直都在移动，另一方面，哈勃太空望远镜的观测范围也是有限的。所以这个北大黑斑可能也已经消散了。总之，根据这些年的观测数据来看，海王星的这种风暴漩涡存在的时间只有2-6年。这种周期性出现的特点跟土星上的大白斑很相似，但是形成原因一直是个谜。

海王星的直径约为49000公里，比天王星稍小，大约是地球的四倍宽。体积是四个气态行星中最小的，大约是地球的58倍。质量虽然远远不如土星和木星，但是也有10的23次方吨，大约是地球质量的17倍，比天王星稍微重一些，在太阳系行星中排第三。密度是四颗气态行星中最大的，但跟另外四颗岩石行星的密度比不了。我刚刚说海王星是气态行星其实并不够严谨，因为气态行星还分为气态巨行星和冰巨星。比如拿木星和海王星为例，我们来看看气态巨行星和冰巨星之间有什么区别。

虽然这两个行星大气中都有氢和氦，但是跟木星相比，海王星大气中氢和氦的比例明显要少很多。木星整个行星无论是大气层还是内部的液态海洋，主要就是氢和氦组成，跟太阳类似。但是海王星的主要成分其实是水、氨和甲烷。这些物质形成的冰地幔才是海王星的主体。这层冰地幔的质量占整个行星的80%多，而氢和氦占不到20%，所以它才叫冰巨星。

不过海王星的冰跟我们平常见到的固体冰是不一样的，在海王星内部这种高温高压的条件下，这些冰都是流体状态的，炙热的、滚烫的。而且气态巨行星的体积和质量都要比冰巨星大很多。所以说，虽然大的分类都属于气态行星，但更准确一些，我们应该称他们为冰巨星。在海王星的冰地幔里面，还包裹着一个小的岩石内核，大小大约是地球的1.5倍，有铁和镍等金属元素，还有硅酸盐混合而成。

海王星没有固体表面，从冰层往上，全部都是它的大气层，大约有80%的氢，19%的氦，还有1%的甲烷组成，跟天王星一样。这些甲烷会吸收太阳光中的红光，所以海王星呈现的是蓝色。但是我知道大家可能会有疑问，明明大气成分都差不多，为什么他们的蓝色色调却不同。长期以来，我们看到的海王星都是深蓝色，而天王星明显更偏向青色。原因其实一句话就能解释，就是旅行者二号当初传回的图像有问题。这是1989年旅行者二号飞越海王星时拍摄的图片。

大家注意，这个图片的颜色是经过处理的，为了更好展示海王星的特征，比如它的条纹和大黑斑。旅行者二号对图像处理有点过了，于是到2022年的时候，牛津大学行星物理实验室的一个团队重新还原了天王星和海王星的颜色。结果，天王星的颜色没什么变化，还是这种细腻的淡蓝色。但是海王星真实的颜色其实是这样的，几乎跟天王星的颜色一样，只是稍微蓝了一点。

那为什么会稍微蓝一些呢？是因为海王星的大气比天王星更活跃，大气层中的甲烷没有天王星多，所以它吸收的红光就会变少，蓝色就会更深一些。所以大家以后在讨论海王星颜色的时候要注意了，不能再说它是深蓝色了。不过，我感觉海王星经过颜色重建之后少了很多神秘感，看上去显得有点平淡。

其实在天王星发现之前，那时候的人一直觉得土星就是太阳系最远的行星。但是自从1781年威廉赫歇尔发现天王星之后，就刷新了人们对太阳系边界的认知。原来在土星之外还有行星。所以在当时，很多人都开始寻找新行星，但是想发现一颗新行星谈何容易啊。很多人找了一段时间之后没找到，也就放弃了。那海王星是怎么被发现的呢？由于我们在地球上是无法用肉眼直接看到海王星的，所以它也是第一颗通过连猜带算才找到的行星。1821年的时候，天文学家对天王星的轨道进行计算的时候发现，他们算出来的轨道结果总是跟天王星实际的轨道对不上，但是无论如何都找不到原因。

就这样，天王星轨道异常的问题一直困扰了他们十多年，一直到1835年，当时的法国天文学家布瓦德提出了一个假说。他说，是不是有一个未知的天体通过引力对天王星的轨道产生了影响，才导致天王星出了轨。这一假说一经提出就非常受欢迎，但是假说毕竟是假说，要想验证，你得能找到这个天体才行。

说起来简单，但是大家想想，要在茫茫星空去找一颗又远又暗的行星，这是相当困难的。很有可能你投入了大量时间和精力，最后什么都没找到，因为这是你猜的。那既然不好观测的话，还有一个方法，就是算。虽然大家都对这颗假设存在的行星一无所知，但是可以通过天王星的轨道来反推。

尽管这个计算过程极为复杂，但还是有两个人成功算出了海王星。一个是英国的天文学家和数学家约翰亚当斯，他16岁的时候，就通过计算准确预测了当地的一次日食。他经过两年没日没夜的计算，在1845年的九月，成功算出了海王星的轨道和质量，并且预言了海王星十月份的时候会在天空哪个位置出现。

另一个是法国的天文学家和数学家勒维耶，他在1846年的六月算出了海王星的位置。他的计算结果跟亚当斯几乎是一样的。不过这两个人虽然擅长计算，但是都不会天文观测，或者说当时没有条件进行天文观测。所以要想验证他俩的计算结果，只能求助当时的天文台。

但是天文台的望远镜，每天的工作都被安排得很满，而且一颗新的行星你们用笔和纸就给算出来了？大家其实也都不太相信。所以借望远镜这个事，就一拖再拖，拖了好几个月，直到1846年的九月，德国柏林天文台的天文学家约翰加勒答应帮助勒维耶向台长借望远镜。碰巧那天他们台长过生日，心情比较好，最终答应把望远镜借给加勒了。于是就在这天晚上，加勒在望远镜里找到了海王星，他的位置跟勒维耶计算的几乎一样。

加勒也因此成为了第一个看到海王星的人，但是加勒一直都拒绝承认自己是海王星的发现者。他认为功劳应该归于勒维耶，并且他提议这个行星应该就叫勒维耶星，但是勒维耶拒绝了，并且重新给它取了一个名字叫涅普顿，他是罗马神话中的海洋之神。这个名字大家可能比较陌生，他对应的希腊语的名字大家应该比较熟悉，叫波塞冬。这个名字符合行星一贯的命名传统，所以也很快得到了大家的认可。

就在法国这边还沉浸在一片欢喜之中，英国人找来了。格林尼治天文台台长艾里，拿出了亚当斯在1845年的计算手稿，说亚当斯才是最早算出海王星位置的人。只是亚当斯这个人一直沉迷计算，从来没公开发表过他的计算结果，只有很少的几个人知道。艾里的这个行为让勒维耶和法国天文学界感到非常生气，法国媒体也说他们是偷星星的贼。甚至在英国国内都有人认为艾里跟勒维耶串通好了，出卖了亚当斯的计算结果。总之，最后经过多次谈判，这个事最终和平解决了。

两国的天文学界一致决定勒维耶和亚当斯共同发现了海王星。不过让人敬佩的是，在他们这边还在争论期间，亚当斯还在一直进行着计算，他第一时间算出了海王星的轨道半径是45亿公里，质量跟天王星差不多，公转周期长达165年。后来天文学家在查看海王星观测历史的时候，发现历史上其实早就有人观测到它了。比如法国的天文学家米歇尔拉朗德，他在1795年的时候连续两次都看到了海王星，但是他当时用的望远镜缺了一个角，所以他认为是自己看错了。就这样，命运之门被他自己亲手关上了。

还有一个人曾经也看到过海王星，就是伽利略。这是后来人们在伽利略的观测日志中发现的，就是在1612年到1613年之间，伽利略至少两次看到了海王星。这个时间比海王星发现的时间早了230多年。

跟太阳系其他三个气态巨星一样，海王星也有环。虽然它的亮度比不上土星环和天王星环，但是比木星环要强很多。1984年首次发现了海王星环，但是直到1989年旅行者二号到达海王星才拍到了它的星环。这张照片也一度成为了30多年来人类拍到的最后一张海王星环照片。

但是就在2022年的九月，詹姆斯韦伯太空望远镜又拍到了新的海王星环图片。从这张照片中大家可以看到，海王星环主要有五个主环组成，这些环的名字都是用对海王星研究作出贡献的天文学家命名的。比如最内侧的这个环叫加勒环，就是我们刚刚说过的，第一个看到海王星的人。这个环大约2000公里宽，是海王星最暗的一个环。然后接下来的两个环分别是勒维耶环和亚当斯环，就是我们刚刚说过的那两个数学家，他们通过计算找到了海王星。其中亚当斯环是最亮的一个环，也是人类研究最多的一个环。它由五个环弧组成，分别是博爱、平等、自由和勇气。最亮最长的环弧是博爱，最暗的环弧是勇气。

不过自从1986年以来，这些环弧的整体亮度都在下降，尤其是自由环弧，在2003年已经完全消失了。中间的这个环是海王星所有环中最宽的一个，大约4000公里宽，叫拉塞尔环。他是英国的天文学家，他发现了海王星最大的卫星-海卫一。在拉塞尔环的边缘还有一个环叫阿拉哥环，这是海王星最窄的一个环，宽度不到100公里。

这张照片中除了海王星环，还拍到了海王星的七颗卫星。海王星目前已知的卫星一共有14颗，照片中这个最亮的就是海王星最大的卫星特里同，他是威廉拉塞尔在1846年第一个发现的，就在海王星被发现的17天后。特里同也是非常独特的一颗卫星，首先，它是海王星唯一的一个球型卫星。其他13颗卫星的形状都是不规则的，而且它是太阳系中唯一一颗逆行的大卫星，就是它让海王星运行的方向跟海王星的自转方向是相反的。

这个情况说明它曾经可能跟冥王星一样，是柯伊伯带的一个矮行星，后来被海王星的引力捕获了。这个说法有点像月球起源里的捕获说，因为特里同像月球一样都被潮汐锁定了，所以它也是永远只有一个面朝向海王星。而且根据近些年的研究数据，预测海王星的引力正在把特里同拉向自己，预计在三十六亿年后，特里同将会跟海王星相撞，最终它会变成海王星的一部分。

特里同的直径是2700公里，是太阳系第七大的卫星，比冥王星都大。它的表面极其寒冷，比天王星都冷，表面温度约为零下235摄氏度，主要是冰冻的氮气。不过，尽管特里同如此寒冷，旅行者二号在1989年飞越特里同的时候还是发现了存在喷泉。这些喷泉可以喷到8000多米的高度，所以目前科学家认为特里同的内部可能也存在地下海洋。

海王星的磁场强度大约是地球的27倍，磁场尾部可以延伸到数百万公里以外。而且跟天王星一样，这两个行星的磁场都很有特点，比如他们磁场方向跟自转轴都有一个大角度的夹角。天王星是59度，海王星是47度，都远远大于地球的11.5度。而且他们磁场中心都不在行星的中心，偏得厉害。那时候人们一直觉得天王星的磁场偏是因为它躺着转导致的，但是在旅行者二号去过海王星之后，发现海王星即使不躺着转，磁场也是偏的。所以目前科学家认为是他们内部的冰地幔产生了这么独特的磁场。不过我们刚刚也说了，虽然我们叫它冰地幔，但是这些物质在海王星内部都处于流体状态，是具有导电性的。

其实在发现海王星之后的100多年里，人类对海王星的研究都没什么进展。如果只是用望远镜观测，它只能看到一个圆盘状的东西。所以想要更多的了解海王星，就只能去到它旁边观测。但是以当时的技术，这是不可能的。这种情况一直持续到20世纪70年代。1965年的时候，NASA有一个工程师叫加里·费尔南德斯，他在一次计算中发现20世纪70年代后期，太阳系的四颗气态巨星将同时位于太阳的同一侧，并且几乎就在一条直线上。这期间，只需要一个探测器就能在十年之内一路探索木星、土星、天王星、海王星这四颗行星。这种情况每176年才会出现一次，非常难得。下一次是在2153年。所以NASA在那个时候制定了一个行星大巡游计划，也就是旅行者一号和二号的飞行任务。

旅行者一号和二号分别在1977年的9月5号和1977年的8月20号成功发射。旅行者二号先出发的，他们虽然是完全相同的探测器，但是探测任务不一样。旅行者一号的主要任务是访问木星和土星，尤其是土星最大的卫星泰坦。NASA当时已经想好了，如果旅行者一号失败了，导致最终无法观测到泰坦的话，那他们就会改变旅行者二号的轨迹，让旅行者二号去泰坦，就不去天王星和海王星了。好在旅行者一号顺利完成了任务。在1979年11月12号，旅行者一号飞越了泰坦，飞越的过程中，他收集到了很多有关土星系统的宝贵数据。但是由于它离土星太近了，在土星引力的作用下，它获得了更大的速度，导致旅行者一号偏离了黄道面。在这之后，他的轨迹就不支持他去其他行星了，包括访问海王星。

1990年2月14号，此时的旅行者一号正在以每小时6.5万公里的速度飞离太阳系，在距离地球大约60亿公里的位置。他回头朝着他来的地方拍下了最后一组照片。这组照片一共64张，这64张照片放在一起其实就是一张太阳系行星的全家福。地球在照片中只是一个像素大小的光点，这就是我们的家园。这也是旅行者一号送给地球的最后一份礼物。在拍完这组照片不久之后，为了省电，他的照相机被永久的关闭了。然后继续飞离太阳系，直到电量耗尽，彻底跟地球失去联系。截止2024年1月，他距离地球244亿公里，是目前距离地球最遥远的人造物体。

但由于旅行者一号任务的顺利执行，旅行者二号也有条件继续执行天王星和海王星的任务。他将独自完成这176年才有一次的百年任务。这次任务也让人类第一次近距离观察到了这两颗遥远的冰巨星。1979年，旅行者二号让我们看到了木星神秘的大红斑。1981年，他带我们近距离观察了壮丽的土星环。1986年，他带我们感受了天王星的寒冷。1989年8月25号，旅行者二号从最接近海王星的地方飞过。

在飞跃的过程中，旅行者二号发现了海王星的六颗新卫星和四个新环，记录了海王星的大气成分和风暴系统大黑斑。至此，旅行者二号完成了对四颗行星的全部探测任务。不过由于距离太远，旅行者二号在完成所有任务后，已经没有足够的燃料返回。所以他也关闭了照相机，飞向了宇宙深处。截至2024年1月，他距离地球203亿公里。按照这个速度，它飞跃一光年大约还需要19300多年。

在海王星的轨道外侧，有个天体非常密集的圆盘状区域，叫柯伊伯带。它距离太阳大约40-50个天文单位，主要是由小天体和当初太阳系形成的一些残留物组成。类似于木星和火星之间的小行星带，但是它比小行星带要大很多，还包括了至少四颗矮行星：冥王星、鸟神星、妊娠星和阋神星。不过柯伊伯带的质量很小，它里面所有的物体加一起的总质量只有地球质量的1/10。

根据现代计算机模拟显示，海王星对柯伊伯带有很大的影响。如果没有海王星，柯伊伯带很可能会形成一颗行星。但是由于海王星强大的引力，导致这些物质没法合成一个整体。就比如轨道共振。柯伊伯带中的很多天体都跟海王星存在这种3:2的轨道共振，就是说这些天体每绕太阳运行两圈，海王星就会绕太阳运行三圈。出名一点的像冥王星，他跟海王星轨道的共振比例就是2:3。所以说虽然他们两个的轨道有交叉，但是这种共振会让他们永远都不可能相撞。

除此之外，模拟结果还显示，天王星和海王星都不是在现在的位置形成的，因为他们当前范围内的原始物质太少了，根本不可能产生如此大质量的天体。所以天王星和海王星很可能是在靠近木星的地方形成的。随着行星向外迁移，逐渐飘到了现在的位置。