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海王星は、直接観測される前に数学的に予測されていた。ウルバン・ルヴェリエの予測に基づき、 1846年9月23日から24日の秋分の日[ 1 ]の夜、ベルリン天文台で天文学者ヨハン・ゴットフリート・ガレ（ハインリヒ・ルイ・ダレストの協力を得て）がルヴェリエの計算に基づいて望遠鏡観測を行い、主要惑星の存在を確認した。これは19世紀の科学におけるセンセーショナルな瞬間であり、ニュートンの重力理論の劇的な証明となった。フランソワ・アラゴの的確な表現によれば、ルヴェリエは「ペン先で」惑星を発見したのである。
振り返ってみると、発見された後、実はそれ以前にも何度も観測されていたものの認識されておらず、その位置について計算を行ったものの観測には至らなかった人々がいたことが判明した。1846年までに、天王星は1781年にウィリアム・ハーシェルによって発見されて以来、ほぼ一周の公転を完了しており、天文学者たちはニュートンの万有引力の法則では完全に説明できない一連の軌道の不規則性を検出していた。しかし、これらの不規則性は、より遠くにある未知の惑星の重力が太陽の周りの軌道を乱しているとすれば解決できる可能性があった。
1845年、パリの天文学者ウルバン・ルヴェリエとケンブリッジのジョン・クーチ・アダムズは、それぞれ別々にそのような惑星の性質と位置を決定するための計算を開始した。ルヴェリエの成功は、優先権をめぐる緊迫した国際的な論争にもつながった。発見後まもなく、当時の英国王室天文官ジョージ・エアリーが、アダムズも惑星の発見を予言していたと発表したからである。[ 2 ]それにもかかわらず、王立協会は1846年にアダムズに言及することなく、ルヴェリエの功績に対してコプリー・メダルを授与した。 [ 3 ]しかし、王立協会は1848年にアダムズにもコプリー・メダルを授与した。
海王星の発見は、わずか17日後にウィリアム・ラッセルによってその衛星トリトンの発見につながった。 [ 4 ]
海王星は暗すぎて肉眼では見えません。その見かけの等級は7.7より明るくなることはありません。[ 5 ]そのため、海王星の最初の観測は望遠鏡の発明後にのみ可能になりました。 1613年にガリレオ・ガリレイ、 1795年にミシェル・ルフランソワ・ド・ラランド、1830年にジョン・ハーシェルが海王星を見て記録したという証拠はありますが、当時それを惑星として認識した人は誰もいないことが知られています。[ 6 ]これらの発見以前の観測は、海王星の軌道を正確に決定する上で重要でした。海王星は初期の望遠鏡でも目立つように映っていたので、発見以前の他の観測記録も存在する可能性が高いです。[ 7 ]
ガリレオのスケッチによると、彼は1612年12月28日と1613年1月27日に海王星を観測したことがわかる。[ 8 ]どちらの場合も、ガリレオは夜空で木星に非常に近い位置（合）に現れた海王星を恒星と間違えた。[ 9 ]歴史的には、彼は海王星を恒星の青い星だと信じていたと考えられており、そのため、彼は海王星の発見者として認められていない。1612年12月の最初の観測の時点では、海王星はその日に逆行に転じたばかりだったので、空に静止していた。つまり、その時点では海王星の動きは小さすぎて検出できず、見かけの大きさも小さすぎてガリレオの小型望遠鏡では惑星としてはっきりと見えなかった。[ 10 ]しかし、ガリレオはこの「星」に何か異常があることに気づいていたという証拠がある。[ 11 ] 1月28日、ガリレオはノートに背景の星（海王星）が動いているように見えたと記録し、海王星の位置を恒星とは異なるインクで点として描いた。これは、ガリレオが1月28日の観測を1月6日の夜に描いたスケッチと比較したことを示唆しており、以前の観測を体系的に調べたことを示している。[ 11 ]しかし、彼がこの動く物体を惑星と特定したという明確な証拠はない。また、彼はこれらの観測を発表することも、動く天体を再び観測しようと試みることもなかった。[ 11 ]
1847年、米国海軍天文台のシアーズ・C・ウォーカーは、海王星の発見以前の観測記録を探して、歴史的記録や調査を調べた。彼は、1795年にパリ天文台のラランドのスタッフが行った観測が、海王星の天球上の位置の方向であったことを発見した。1795年5月8日と10日の観測記録には、海王星が予想されるおおよその位置に星が観測されたと記されている。位置の不確実性はコロンで記されていた。この表記は観測誤差を示すためにも使われていたため、天文台の元の記録が精査されるまで、その天体が海王星であり、2晩に渡って行われた観測の位置誤差は海王星の天球上の動きによるものであることが確実には確認されなかった。[ 12 ] 1795年の海王星の位置に関するこれらの記録の発見は、海王星の軌道のより正確な計算につながった。[ 13 ]
ジョン・ハーシェルは、父ウィリアム・ハーシェルが1781年に天王星を発見したのと同じ方法、つまり偶然の観測によって海王星を発見しかけた。1846年にヴィルヘルム・ストルーヴェに宛てた手紙の中で、ジョン・ハーシェルは1830年7月14日に空を掃引した際に海王星を観測したと述べている。彼の望遠鏡は海王星を小さな青い円盤として分解し、惑星であることを示すのに十分な性能を持っていたが、彼は当時それを認識できず、星と間違えた。[ 14 ]
1821年、アレクシス・ブーヴァールは天王星の軌道の天文表を発表し、ニュートンの運動法則と万有引力の法則に基づいて将来の位置を予測した。[ 15 ]その後の観測で表からの大きなずれが明らかになり、ブーヴァールは何らかの摂動天体の存在を仮説として立てた。[ 16 ]惑星の黄経と半径ベクトル（太陽からの距離）の両方におけるこれらの不規則性は、いくつかの仮説で説明できた。太陽の重力がそのような遠距離ではニュートンの記述と異なる可能性がある。あるいは、これらのずれは単なる観測誤差である可能性がある。あるいは、天王星は未発見の惑星によって引っ張られたり、摂動を受けたりしている可能性がある。
ジョン・カウチ・アダムズは、まだ学部生の頃にこれらの異常を知り、摂動仮説を確信するようになった。アダムズは、天王星の観測データとニュートンの万有引力の法則を用いて、摂動天体の質量、位置、軌道を推測できると信じていた。 1843年の最終試験後、アダムズは大学のフェローに選出され[ 17 ]、夏休みをコーンウォールで過ごし、計算を開始した。
現代の用語で言えば、この問題は逆問題、つまり観測データから数学モデルのパラメータを推論しようとする試みである。現代の数学や電子計算機にとっては単純な問題だが、当時は多くの骨の折れる手計算が必要だった。アダムスはまず、経験的なボーデの法則を用いて、仮説上の天体の名目上の位置を仮定することから始めた。次に、彼は摂動天体の仮定位置に基づいて天王星の予測軌道を計算し、その予測軌道と記録された観測値との差を計算した。そして、これらの差に基づいて摂動天体の特性を調整し、このプロセスを繰り返した。これは実質的に回帰分析を行ったことになる。
1844年2月13日、ケンブリッジ天文台の所長ジェームズ・チャリスは、グリニッジ王立天文台の王室天文官ジョージ・ビデル・エアリーに連絡を取り、アダムズのために天王星の位置に関するデータを要求した。[ 1 ]アダムズは確かに1845年9月18日にいくつかの計算を完了した。 [ 1 ]
アダムズは1845年9月中旬にチャリスに自分の研究を伝えたとされているが、その方法については議論がある。この連絡の経緯と日付は、1846年10月17日付のチャリスからアテネウムへの手紙で初めて明らかになったようだ。 [ 18 ]しかし、1904年に天文学者のラルフ・アラン・サンプソンがアダムズの書類の中から「新惑星」について記述したメモを発見するまで、文書は特定されていなかった。そのメモには、アダムズではない筆跡で「1845年9月に受領」という注記が添えられていた。[ 19 ] [ 18 ]これはアダムズの優先権を確立するものとみなされることが多いが、[ 3 ] [ 20 ] 一部の歴史家は、「新惑星」という言葉が 1845 年には通用していなかったこと、[ 21 ]また、このメモがアダムズ以外の人物によって後から日付が付けられていることを理由に、その信憑性に異議を唱えている。[ 22 ]さらに、計算結果は数週間後にエアリーに伝えられたものとは異なっている。[ 18 ]アダムズは確かにチャリスに詳細な計算を与えておらず[ 3 ]、チャリスは天文台で骨の折れる観測計画を始める気になれず、天体の位置を段階的に近似する方法の説明に感銘を受けなかった。チャリスは最終的に「労力は確実だが、成功は非常に不確実であるように思われる」と述べている。[ 21 ]
一方、1845年11月10日、ウルバン・ル・ヴェリエはパリの科学アカデミーに天王星に関する論文を発表し、既存の理論ではその運動を説明できないことを示した。[ 20 ]アダムズの研究を知らなかった彼は、同様の調査を試み、1846年6月1日、アカデミーの公開会合に提出した2番目の論文で、彼は提案された摂動天体の位置を示したが、質量や軌道は示さなかった。ル・ヴェリエは海王星を、発見位置から1度以内の位置に特定した。[ 23 ]
イギリスでル・ヴェリエの6月の予言の知らせを受け取ったジョージ・エアリーは、ル・ヴェリエとアダムズの解決策の類似性をすぐに認識した。それまでアダムズの研究は単なる好奇心の対象に過ぎなかったが、ル・ヴェリエによる独立した確認がエアリーを刺激し、惑星を探すための秘密の試みを組織した。[ 24 ] [ 25 ] 1846年7月のグリニッジ天文台諮問委員会の会議で、チャリスとジョン・ハーシェル卿が出席し、エアリーは「ほとんど絶望的な状況からこの問題を救い出すことを期待して」、チャリスにケンブリッジ11.25 インチ赤道儀望遠鏡で惑星を緊急に探すよう提案した。 [ 26 ] 7月29日に骨の折れる方法で探索が開始された。[ 3 ]アダムスはこの問題に取り組み続け、1845年と1846年にイギリスのチームに6つの解決策を提供した[ 22 ] [ 27 ]が、チャリスは間違った空の領域を探すことになった。海王星の発見がパリとベルリンで発表された後になって初めて、海王星が8月8日と8月12日に観測されていたことが明らかになったが、チャリスは最新の星図を持っていなかったため、惑星として認識されなかった。[ 20 ]
ル・ヴェリエは、アダムスの個人的な計算を公に確認したことが、イギリスによる惑星探査のきっかけとなったことを知らなかった。8月31日、ル・ヴェリエは3つ目の論文を発表し、新たな天体の質量と軌道を明らかにした。フランスの天文学者にこの問題に関心を持ってもらう努力は実を結ばなかったため、ル・ヴェリエは最終的にベルリン天文台のヨハン・ゴットフリート・ガレに研究結果を郵送した。
ガレは9月23日の朝にル・ヴェリエの手紙を受け取った。ベルリン天文台の助手だったガレは、天文台長のヨハン・フランツ・エンケにフラウンホーファー望遠鏡（口径9インチ/24.4cm）の使用許可を求めた。エンケはその日55歳の誕生日を迎えており、望遠鏡の使用を許可した。ガレとエンケの会話は、天文台で働いていた学生のハインリヒ・ルイ・ダレストに聞かれ、彼は興奮してガレに観測に参加させてほしいと頼んだ。ガレはダレストの参加を許可し、準備まで任せた。最初はル・ヴェリエの指示に従って空に円盤を探したが、見つけることはできなかった。彼らは標準的な星図も使用したが、すぐにこの星図には星が欠けていることに気づいた。ダルレストは、最近出版された星図 Hora XXI を現在の空と比較することで、静止した恒星ではなく惑星特有の変位を探せるのではないかと提案した。この地図はシリーズの一部であり、別の地図を待っていたため、この時点では世界中に配布されていなかった。星図を手に、彼らはフラウンホーファー望遠鏡に戻った。ガレは望遠鏡で星の位置を読み取っており、ダルレストは近くのテーブルに座って Hora XXI の星図と座標を照合していた。ダルレストが「その星は地図に載っていない！」と叫ぶのに時間はかからなかった。[ 28 ]
この発見は、カール・ブレミカーによって完成したベルリン科学アカデミーの星図 Hora XXI のおかげで行われた。[ 28 ]当初、ベッセルは彗星や小惑星の発見を助けるために星図を作成する計画を提案した。この計画では、ブラッドレー、ラランド、ピアッツィのカタログを統一されたスキームに従って縮小し、赤道から 15 度以内のゾーンカタログと照合することになっていた。カタログ化された星は、「彗星探知機」で見ることができるカタログ化されていない星によって補完されることになっていた。24 人の天文学者がこの作業に参加し、それぞれが赤経の 1 時間を担当することになっていた。[ 29 ] Hora XXI の作業は 1826 年に開始されたが、完成したのは 1844 年で、印刷されたのは 1845 年だった。[ 28 ]
海王星は真夜中過ぎに発見された[ 1 ]。1時間足らずの探索の後、ル・ヴェリエが予測した位置から1度以内のずれで発見され、驚くべき一致となった。その位置と動きが確認された2晩の観測の後、ガレはル・ヴェリエに驚きをもって「あなたが計算した惑星は本当に存在する」と答えた（原文強調）。発見に使われた望遠鏡は、ジョセフ・フラウンホーファーの会社メルツ・ウント・マーラー製の赤道儀搭載型アクロマート屈折望遠鏡だった[ 30 ] 。
発見の発表に際し、ハーシェル、チャリス、そして王立天文学会の外交担当秘書リチャード・シープシャンクスは、アダムズがすでに惑星の特性と位置を計算していたと発表した。エアリーは、ようやくその状況に関する記述を発表し、アダムズの回想録は航海暦の付録として印刷された。[ 20 ]しかし、エアリーが出版したバージョンは、「重要な段階」を省略することで編集されており、アダムズが平均経度のみを引用し、軌道要素を引用していなかったという事実を隠蔽していたようである。[ 21 ]
フランスとイギリスでは、この二人の天文学者の功績をめぐって激しい論争が巻き起こった。イギリスではエアリーに対する批判が多かった。アダムズは内気な若者で、当然ながら自分のキャリアを左右するような結果を発表することに抵抗があった。エアリーとチャリスは、特にジェームズ・グレイシャー[ 3 ]から、若い才能の指導者としての適切な役割を果たしていないと批判された。チャリスは反省したが、エアリーは自分の行動を弁護し、惑星の探索はグリニッジ天文台の役割ではないと主張した。概して、エアリーは伝記作家たちによって擁護されてきた[ 3 ] 。フランスでは、無名のイギリス人に対してなされた主張は、ル・ヴェリエの業績に対する評価を損なうものとして憤慨された[ 20 ] 。
王立協会は1846年にル・ヴェリエの功績に対してコプリー・メダルを授与したが、アダムズについては言及しなかった。しかし、ケンブリッジ大学と社会におけるアダムズの学術的評価は確固たるものとなった。[ 3 ]事実が明らかになるにつれ、一部のイギリスの天文学者は、2人の天文学者が独立して海王星の問題を解決し、それぞれに同等の重要性を与えたという見解を主張した。[ 3 ] [ 20 ]しかし、アダムズ自身は1846年11月に王立天文学会に提出した論文の中で、ル・ヴェリエの優先権と功績を公に認め（ガレの役割にも言及することを忘れなかった）。
私がこれらの日付を挙げたのは、私の研究結果がル・ヴェリエ氏の研究結果の発表以前に独自に得られたものであることを示すためであり、発見の栄誉に対する彼の正当な主張を妨害する意図は全くありません 。なぜなら、彼の研究が最初に世界に発表され、ガレ博士による惑星の実際の発見につながったことは疑いの余地がなく、上記の事実がル・ヴェリエ氏に帰せられるべき功績を少しも損なうことはないからです。
—アダムス (1846) [ 31 ]
その後すぐに、アダムスとル・ヴェリエは、自分たちの計算の精度について楽観的すぎた、またボーデの法則を用いることで惑星の太陽からの距離を大幅に過大評価していた、という批判がなされた。さらに、彼らが経度をほぼ正確に計算できたのは「軌道タイミングの偶然」によるものだと示唆された。この批判はダンジョン（1946）[ 2 ]によって詳細に議論され、図と議論によって、ル・ヴェリエとアダムスが新惑星のために計算した仮想軌道は、全体として実際の海王星の軌道とは大きく異なり（実際には互いに似ている）、観測と計算が行われた期間をカバーする重要な軌道区間では、他の計算された軌道よりも実際の海王星にずっと近いことが示された。したがって、両計算者が実際よりもはるかに大きな軌道長軸を使用したという事実は、それほど重要ではなく、最も関連性の高いパラメータではないことが示された。
フランソワ・アラゴが当初「ル・ヴェリエ」と名付けたこの新惑星は、合意により海王星という中立的な名前が与えられた。その数学的予測は偉大な知的偉業であったが、エアリーがほとんど疑問視していたニュートンの万有引力の法則が太陽系の果てでも通用することを示した。[ 20 ]
アダムズはチャリスやエアリーに対して恨みを抱いておらず[ 3 ]、天文学界を説得できなかったのは自分の失敗だと認めた[ 21 ]。
しかし、既に重要な研究に精力的に取り組んでいる実務的な天文学者たちが、私自身が抱いていたのと同じくらい私の研究結果に信頼を寄せてくれるとは期待できなかった。
対照的に、ル・ヴェリエは傲慢で自己主張が強く、イギリスの科学界はアダムズを支持するために結束したが、フランス人は概してル・ヴェリエにほとんど同情しなかった。[ 21 ] 1874年から1876年にかけて、アダムズは王立天文学会の会長を務めており、その年のRASゴールドメダルをル・ヴェリエに授与する役目を担った。[ 20 ]
ネプチューンの発見は「アダムズとル・ヴェリエの両方に帰せられるべき」という従来の通説[ 32 ]は最近異議を唱えられ[ 33 ]、 1846年のエアリー、チャリス、アダムズの記述に疑問が生じている[ 34 ] [ 35 ]。
1999年、王立グリニッジ天文台で紛失していたアダムズとエアリーの書簡が、天文学者オリン・J・エッゲンの死後、チリで彼の所持品の中から再発見された。 [ 36 ] 2003年のインタビューで、歴史家のニコラス・コラーストロムは、アダムズの海王星発見の主張は、これまで示唆されていたよりもはるかに弱いものであり、惑星の正確な位置について何度も迷い、推定値は20度にも及んでいたと結論付けた。コラーストロムによれば、エアリーが頑固な上司として、新進気鋭の若き知性を意図的に無視したという役割は、惑星が発見された後に、アダムズ、ひいてはイギリスの発見の功績を高めるために、大部分が作り上げられたものである。[ 37 ]後にシーハン、コラーストロム、ワフによるサイエンティフィック・アメリカンの記事では、「イギリス人が海王星を盗んだ」とさらに大胆に主張し、「この業績はル・ベリエ一人の功績である」と結論付けた。[ 38 ]
海王星が発見される以前から、天王星の軌道の不一致を説明するには惑星が1つだけでは不十分だと推測する者もいた。1834年11月17日、イギリスのアマチュア天文家であるトーマス・ジョン・ハッセイ牧師は、ブーヴァールとの会話をエアリーに報告した。ハッセイは、天王星の異常な動きは未発見の惑星の重力の影響によるものかもしれないとブーヴァールに提案したところ、ブーヴァールは自分もその考えが浮かんだことがあり、ゴータのゼーベルク天文台の所長であるペーター・アンドレアス・ハンセンとこの件についてやり取りしたと答えたと報告した。ハンセンの意見は、単一の天体では天王星の動きを十分に説明できないというもので、天王星の外側に2つの惑星が存在すると仮定した。[ 39 ]
1848年、ジャック・バビネはル・ヴェリエの計算に異議を唱え、海王星の観測された質量はル・ヴェリエが当初予測したよりも小さく、軌道は大きいと主張した。彼は、ル・ヴェリエの計算から単純に引き算することに基づいて、海王星の外側に地球の約12倍の質量を持つ別の惑星が存在し、「ハイペリオン」と名付けたと仮定した。[ 39 ]ル・ヴェリエはバビネの仮説を非難し、「想像力が大きな役割を果たした仮説を除けば、別の惑星の位置を決定できる手段は全くない」と述べた。[ 39 ]
2025年現在、海王星以遠で、海王星以遠の天体（特に冥王星）の発見にもかかわらず、疑わしい矛盾を説明できるような大きな惑星は発見されていない。天文学界では 、当初想定されていた「惑星X」は存在しないという点で広く合意しているが、まだ観測されていない惑星の概念は、太陽系外縁部で観測された他の異常を説明するために、多くの天文学者によって再び持ち出されている。[ 40 ]
海王星を発見した望遠鏡は、ニューベルリン天文台（1835～1913年）にあったもので、口径9パリインチ（9.6インチ、または24.4cm ）のアクロマート屈折望遠鏡でした。故ヨーゼフ・フラウンホーファーの会社、メルツ・ウント・マーラー社によって製造されたこの望遠鏡は、当時としては高性能で、入手可能な最大のアクロマート二重レンズと精巧に作られた赤道儀を備え、4m（13.4′）の主鏡筒を地球の自転と同じ速度で動かすための時計駆動装置を備えていました。最終的にこの望遠鏡はドイツのミュンヘンにあるドイツ博物館に移され、現在も展示品として見ることができます。[ 41 ] [ 42 ]