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Nettuno orbita ad una distanza media dal Sole di 4.497 milioni di chilometri e per completare una rivoluzione attorno ad esso impiega circa 165 anni. Da quando è stato scoperto, nel settembre del 1846, non ne ha ancora portata a termine una per intero. La sua esistenza venne dedotta separatamente da 2 matematici, C. Adams (inglese) e U.J.J. Le Verrier (francese), nel tentativo di spiegare le anomalie osservate nel pianeta Urano. Le Verrier si rivolse all'astronomo tedesco Galle, suo amico, perchè cercasse il pianeta nell'area di cielo da lui prevista. Questi, assistito dal collega D'Arrest, scoprì il pianeta ad appena 56' dalla posizione indicata da Le Verrier. Nettuno, che a occhio nudo non è visibile, al telescopio si presenta come un piccolo disco verde-azzurro senza alcun dettaglio della sua struttura superficiale. ma nel 1989 la sonda americana Voyager 2 l' ha riscoperto, passando a 5.000 km. la sommità delle nubi nettuniane. Le immagini del Voyager hanno rilevato un'atmosfera dalla caratteristica colorazione azzurra, percorsa da fasce e bande parallele all'equatore; una Grande Macchia Scura luna 10.000 km., posizionata intorno alla latitudine di 20°Sud, sembra una mal riuscita imitazione della Grande Macchia Rossa del pianeta Giove. L'atmosfera di Nettuno è costituita principalmente da idrogeno (85%) ed elio (13%), con una piccola percentuale di metano (2%). Forti correnti spirano con violenza verso Ovest, sospingendo vortici di nubi in continua evoluzione, alcune delle quali bianche, simili a giganteschi cirri, probabilmente formati da piccoli cristalli di metallo ghiacciati. la temperatura è decisamente rigida (attorno ai -200°C). Nettuno ha una massa 17 volte superiore a quella della Terra e una densità media pari a 1,64 volte quella dell'acqua. Il raggio equatoriale definito convenzionalmente è di 24.764 km., mentre quello polare e più corto di 421 km.. Il Voyager 2, che lanciato da Capo Canaveral il 20 agosto 1977, dopo aver sorvolato Giove (1979), Saturno (1981) e Urano (1986), il 23 gennaio 1989 inviò alla Terra le prime immagini di Nettuno e del suo satellite Tritone (scoperto nel 1986). Oltre a Tritone e Nereide (individuato nel 1949), il Voyager 2 ha localizzato attorno a Nettuno altre 6 piccole lune e 4 anelli di bassa riflettività, di cui 3 sottili e uno ampio circa 5800 km.. Tritone, la cui superficie è costellata di bocche eruttanti azoto liquido, e che si muove attorno al pianeta di moto retrogado, prima o poi 'cadrà' verso Nettuno per il restringimento graduale, su tempi lunghi, dell'orbita. I satelliti di Nettuno, oltre ai già citati Tritone (diametro 2.700 km.) e Nereide (340), sono: Proteus (415), Larissa (190), Despina (180), Galatea (150), Thalassa (80) e Nalad (60).

Nettuno possiede tredici satelliti naturali conosciuti, il maggiore dei quali è Tritone; gli altri satelliti principali sono Nereide, Proteo e Larissa. Tritone è l'unico satellite di Nettuno che possiede una forma ellissoidale; fu individuato per la prima volta dall'astronomo William Lassell appena 17 giorni dopo la scoperta del pianeta madre. Orbita in direzione retrograda rispetto a Nettuno, a differenza di tutti gli altri satelliti principali del sistema solare; è in rotazione sincrona con Nettuno e la sua orbita è in decadimento costante. Il satellite più interessante, a parte Tritone, è Nereide, la cui orbita è fra le più eccentriche dell'intero sistema solare. Fra il luglio ed il settembre 1989 la sonda statunitense Voyager 2 ha individuato sei nuovi satelliti, fra i quali spicca Proteo, le cui dimensioni sarebbero quasi sufficienti a conferirgli una forma sferoidale; è il secondo satellite del sistema di Nettuno, pur con una massa pari ad appena lo 0,25% di quella di Tritone. Una nuova serie di scoperte è stata annunciata nel 2004; si tratta di satelliti minori e fortemente irregolari.

Semiasse maggiore	4 498 252 900 km 30,06896348 UA
Perielio	4 459 631 496 km 29,81079527 UA
Afelio	4 536 874 325 km 30,32713169 UA
Circonferenza orbitale	28 263 000 000 km 188,925 UA
Periodo orbitale	60 223,3528 giorni (164,88 anni)
Periodo sinodico	134 227,802 giorni (367,49 anni)
Velocità orbitale	5 385 m/s (min)5 479 m/s (max)
Inclinazione orbitale	1,76917°
Inclinaz. rispetto all'equa. del sole	6,43°
Eccentricità	0,00858587
Long. del nodo ascendente	131,72169°
Argom. del perielio	273,24966°
Satelliti	13
Anelli	si
Diametro equat.	49 528 km
Diametro polare	48 681 km
Schiacciamento	0,0171
Superficie	7,619 × 10¹⁵ m²
Volume	6,254 × 10²² m³
Massa	1,0243 × 10²⁶ kg
Densità	1,638 kg/dm³
Acceleraz. di gravità in superficie	11,15 m/s² (1,14 g)
Velocità di fuga	23,5 km/s
Periodo di rotazione	16,11 ore (16 h 6 min 36 s)
Velocità di rotazione (equat.)	2 680 m/s
Inclinazione assiale	28,32°
Temperatura superficiale	50 K (min) 53 K (media)
Albedo	0,41