Нептун был предсказан с помощью математических расчетов еще до того, как он был фактически обнаружен как планета. Отклонения на орбите Урана, при сравнении с наблюдениями, указывали на то, что гравитационное влияние другого небесного тела могло влиять на его траекторию. В этом контексте Урбен Жан Жозеф Ле Верриер во Франции провел расчеты для определения местоположения этой планеты, в то время как Джон Коуч Адамс в Англии независимо пришел к аналогичному прогнозу.
Подтверждение произошло в ночь с 23 на 24 сентября 1846 года. В Берлинской обсерватории астроном Иоганн Готфрид Галле и Генрих Луи д'Аррест сопоставили область, указанную Ле Верриером, с небесной картой и обнаружили объект, отсутствующий в каталоге. Последующие наблюдения показали, что этот объект двигался относительно звезд, следовательно, это был Нептун.
Ключевым фактором для решения этой загадки была гравитация. Как установлено законом всемирного тяготения Исаака Ньютона, массы оказывают взаимное притяжение. В сложной планетной системе это притяжение вызывает крошечные изменения в траекториях. Это превратило Уран в своего рода космический индикатор; если бы существовала неизвестная планета за пределами его орбиты, ее гравитация вызвала бы небольшие возмущения в движении Урана, что позволило бы астрономам использовать эти вариации для оценки положения вызывающего тело.
Эта проблема уже привлекла внимание французского астронома Алексиса Бувара, который составил таблицы для орбиты Урана в 1821 году. Последующие измерения не совсем соответствовали проекциям, что усиливало теорию о некартографированном теле. И Ле Верриер, и Адамс подходили к этой задаче независимо. Вместо того чтобы начинать с наблюдения планеты, они исходили из гравитационного эффекта, замеченного на Уране, чтобы рассчитать ее происхождение, тем самым проводя обратное исследование: траектория известной планеты служила для поиска еще одной невидимой.
Адамс завершил свои расчеты до публикации прогноза Ле Верриера, однако его результаты не были опубликованы в тот момент. Ле Верриер опубликовал свои исследования и направил свою оценку в Берлинскую обсерваторию, где она была использована непосредственно в поисках. Галле получил рассчитанные Ле Верриером координаты и начал поиск. В ночь на 23 сентября он и д'Аррест обнаружили звезду вблизи предполагаемого места, которая не соответствовала звездам на карте, использованной при наблюдении. Смещение этого объекта относительно звезд доказало, что это не фиксированная звезда; Нептун присутствовал.
Источники NASA классифицируют это событие как великий триумф небесной механики, поскольку существование планеты было выведено из ее гравитационных воздействий до ее визуализации на небе. Прогноз Ле Верриера продемонстрировал высокую точность для того времени, при этом NASA отметило, что Галле нашел планету менее чем в градусе от указанного положения. Нептун вращается вокруг Солнца в среднем в 30 раз дальше от Земли и не виден невооруженным глазом.
В этой истории также есть важная деталь: Галле не был первым, кто заметил Нептун. Британский астроном Джеймс Чаллис зарегистрировал объект в августе 1846 года, до идентификации в Берлине. Он наблюдал за небесным регионом 8 и 12 августа, но не распознал эту светящуюся точку как планету. Различие заключается между наблюдением и идентификацией; Чаллис зарегистрировал точку, но не понял ее природы, в то время как Галле и д'Аррест провели идентификацию, которая подтвердила открытие.
Успех расчетов вызвал спор о приоритете между французами и британцами. Адамс работал над проблемой независимо и достиг результатов раньше Ле Верриера, но его прогноз не был опубликован таким образом и не привел напрямую к обнаружению планеты. Ле Верриер, с другой стороны, опубликовал свои расчеты, которые были использованы Галле в поиске, кульминацией которого стало открытие Нептуна. Таким образом, присвоение заслуг стало чувствительным вопросом между двумя странами.
Наиболее общепринятая историческая точка зрения сегодня признает независимый вклад Адамса и Ле Верриера в прогноз, не пренебрегая тем, что именно оценка, опубликованная Ле Верриером, напрямую привела к идентификации Нептуна Галле и д'Аррестом. Следовательно, спор сводится не только к определению того, кто 'открыл' планету. Этот эпизод преподает долгосрочный урок в астрономии: не всегда нужно видеть объект напрямую, чтобы знать о его существовании; часто достаточно точно проанализировать, что его гравитация делает с другим телом. В случае с Нептуном небольшое изменение в движении Урана послужило подсказкой, которая привела ученых к планете на расстоянии миллиардов километров.