Neptunova unutarnja struktura slična je Uranovoj. Atmosfera mu čini oko 5 do 10% mase te se proteže do 10 - 20% prema unutrašnjosti gdje doseže pritisak od oko 10 GPa. U nižim dijelovima atmosfere vladaju povećane koncentracije metana, amonijaka i vode.
Postupno ova tamnija i toplija regija kondezira u superzagraijani tekući plašt gdje temperature dosežu raspon od 2000 do 5000 K.
Sam plašt jednak je 10 do 15 masi Zemlje te je bogat vodom, amonijakom i metanom. Kako je to već uobičajeno u planetarnoj znanosti, ova se kombinacija naziva "ledenom" iako se radi o vrućem fluidu visoke gustoće. Ovaj fluid visoke električne provodljivosti ponekad se naziva i vodeno-amonijevim oceanom.
Na dubini od 7000 km mogući su uvjeti pri kojima se metan raspada na dijamantne kristale koji se zatim spuštaju prema jezgri. Moguće je da se plašt sastoji od sloja ionizirane vode gdje se molekule vode raspadaju na mješavinu vodikovih i kisikovih iona, te dublje superionizirane vode kod koje se kisik kristalizira dok se vodikovi ioni slobodno kreću.
Jezgra planeta sastavljena je od željeza, nikla i silikata s unutarnjim modelom koji predviđa masu jednaku 1,2 mase Zemlje. Pritisak u središtu iznosi 7 Mbar (700 GPa) što je milijune puta više nego na Zemljinoj površini.
Ime je dobio po Rimskom bogu mora Neptunu, zbog svoje plavo-zelene boje. Otkriven je 1846. godine. Neptun pripada grupi divovskih planeta i sličan je Uranu. Ima kamenu jezgru, koja je okružena slojem leda debljine 8000 km te naposljetku ocean molekularnog vodika.
Volumen planete je 58 puta veči od Zemljinog, ali je masa veča samo 17.3 puta. Kao Jupiter i Saturn, Neptun takodjer ima veliku tamniju mrlju, odnosno uragan veličine Zemlje.
Prosječna temperatura Neptuna je -213 °C. Dan traje 15h i 48 min.
Neptunova udaljenost od Sunca je 30 puta veća od Zemljine i njegova godina traje 164,8 naših, te od svog otkrića pa do danas Neptun nije napravio ni jedan krug oko Sunca. On je ujedno po novoj planetarnoj klasifikaciji posljednja planeta Sunčevog sustava.
Do prolaska sonde Voyager 2, 1989-te godine, bila su poznata 2 Neptunova prirodna satelita, Triton i Nereida.
Medjutim sonda je otkrila jos 6 satelita koji nose imena Protea, Larisa, Galatea, Despina, Talasa i Najada.
Takodjer je otkriveno, da Neptun ima i 4 prstena. Najveći Neptunov satelit je Triton i oko planete se okrene za oko 6 dana. Zbog njegovog obrnutog kretanja, pretpostavlja se, da nije nastao kad i planeta, već je kasnije zahvaćen Neptunovom privlačnom silom.
Ova fotografiju Neptuna je snimio Voyager 2 - 20. kolovoza 1989. Jedan od velikih mogućnosti je oblak, prozvan Velika tamna mrlja od strane Voyagerovih znanstvenika, može se vidjeti prema središtu slike.
Svijetli oblaci na jugu i istoku Velike tamne točke stalno mijenjaju svoje nastupe u razdobljima što je kraće od četiri sata.
Dvije skupine su nedavno koristile Hubble Space Telescope (HST) Wide Field Camera Planetarni 2 (WFPC 2) kako bi napravili nove slike visoke razlučivosti planete Neptuna. Članovi WFPC-2 znanstvenog tima, na čelu s Ivanom Traugerom, napravila prvu seriju slika od 27. do 29. lipnja 1994. To su bile slike najviše razlučivosti Neptuna preuzete od Voyager-2 u kolovozu 1989. Opširniji Program trenutno provodi Heidi Hammel i Wes Lockwood.
Ova dva seta opažanja pružaju obilje novih informacija o strukturi, sastavu i meteorologiji ovog udaljenog planeta.
NASA Hubble svemirski teleskop daje pogled na plavo-zelenu planetu Neptun, ovdje su tri snimke promjene vremenskih uvjeta. Slike su snimljene 1994. godine 10. listopada, 18. listopada (gornji desni), i 2. studenog (manji centar), kada je Neptun bio 2,8 milijardi kilometara (4,5 bilijuna km) udaljen od Zemlje.
Hubble dopušta astronomima proučavanje Neptunove dinamične atmosfere. Nadovezujući se na Voyager još od početnih otkrića, Hubble je otkrio da Neptun ima izuzetno dinamičan pogled koji se mijenja tijekom samo nekoliko dana.
Temperaturna razlika između Neptunova jakog unutarnjeg izvora topline i njegovih niskih oblaka (-260 stupnjeva celzijusa) mogla bi izazvati nestabilnost u atmosferi koja je uzrok tih velikih vremenskih promjena.
Pored vodika i helija, koji su glavni sastojci, Neptunova atmosfera se sastoji od metana i ugljikovodika, poput etana i acetilena.
Slika je rekonstruirana iz serije široko polje Planetary Camera 2 slike snimljene kroz raznobojne filtere na vidljivom i blizu infracrvenom spektru.
Apsorpcija crvenog svjetla metana u Neptunovoj atmosferi doprinosi planeti prepoznatljivu aqua boju; sami oblaci su nešto plaviji. Ružičaste oznake - Visinske od kristala leda i oblaka metana.
Iako se oblaci pojavljuju kao bijelo vidljivo svjetlo, oni su tamno ružičasti, jer su snimljeni iz blizine infracrvenim valnim duljinama.
Najdalje od plinskog diva, Neptun je četiri puta Zemljina promjera. Iako je Neptun otkriven 1846. godine, vrlo malo je poznato o tome koje su se sve pojave događale, do svemirskog putovanja i naprednih teleskopa.
NASA-in Hubble svemirski teleskop se koristi u sastavljanju ubrzanog kolor filma a prikazuje punu 16-satnu rotaciju planete Neptun. Film je napravljen od niza prizora preko devet uzastopnih orbita, Hubble omogućuje astronomima pratiti kretanje oblaka na planetu.
Slike jasno prikazuju Neptunovu snažanu Ekvatorsku mlaznu struju ogromnih oluja, a tamno mjesto u Neptunovoj sjevernoj hemisferi, prvi je identificirao prošle godine Massachusetts Institute of Technology tim pomoću Hubble teleskopa.
Film je od strane tima znanstvenika na čelu s Lawrence Sromovsky Sveučilišta Wisconsin-Madison Space znanosti i inženjering Centra te je predstavljen na godišnjem sastanku odjela za planetarne znanosti Američkog astronomskog društva, u Tucson AZ.
Tim je kombinirao zapažanja iz Hubblea i NASA-inog infracrvenog teleskopa Facility (IRTF) na Mauna Kea na Havajima, promatrali udaljeni planet u različitim valnim duljinama, svaki pruža set različitih informacija o Neptunovim oblacima, njihovoj strukturi, te kako oni kruže. Znanstvenici mogu preciznije izračune brzinu Neptunovog vjetra i smjer, pa informacije o planetu u dinamičnom vremenu čine profinjene.
Neposredno nakon otkrića Neptun se oslovljavao jednostavno "planetom udaljenijim od Urana" ili "Le Verrierovim planetom". Prvi prijedlog imena došao je od Gallea koji je predložio ime Janus. U Engleskoj, Challisov prijedlog bio je Okean.
Pozivajući se na pravo da imenuje svoje otkriće, Le Verrier je brzo predložio ime Neptun, pritom lažno tvrdeći da je isto službeno odobrio francuski Bureau des Longitudes. U studenome je tražio da se planet nazove Le Verrier prema njemu samome, za što je imao podršku od direktora zvjezdarnice François Aragoa. Potonji je prijedlog naišao na žestok otpor izvan Francuske. Francuski časopisi brzo su ponovno uveli ime Herschel za Uran, prema njegovom otkrivaču, Sir Williamu Herschelu, te Leverrier za novi planet.
29. prosinca 1846. Struve je pred Sankt Petersburškom akademijom znanosti izašao s podrškom imenu Neptun nakon čega uskoro postaje i međunarodno priznato ime. Neptun je u rimskoj mitologiji bio bog mora, ekvivalent grčkom Posejdonu. Argument za prihvaćanjem mitološkog imena bio je u skladu s postojećom tradicijom imenovanja planeta gdje su svi, osim Zemlje, nazvani po likovima iz grčke i rimske mitologije.
Na višim visinama Neptunova atmosfera sastoji se od 80% vodika i 19% helija. U tragovima je prisutan i metan. Izražene absorbirajuće trake metana pojavljuju se na valnim duljinama višim od 600 nm, u crvenom i infracrvenom dijelu spektra. Kao i s Uranom, navedena apsorpcija crvenog svijetla od strane atmosferskog metana daje Neptunu njegovu plavu boju, iako se svojim plavetnilom razlikuje od Uranovog blagog cijana.
Neptunova atmosfera dijeli se na dvije glavne regije: nižu troposferu gdje se temperature smanjuju s visinom te stratosferu gdje se temperature povećavaju s visinom. Granica između navedenih, tropopauza, pojavljuje se pri pritisku od 0,1 bar. Na stratosferu se nastavlja termosfera s pritiskom manjim od 10-5 do 10-4 mikrobara. Termosfera u konačnici postaje egzosfera.
Modeli sugeriraju da je Neptunova troposfera povezana oblacima različitih sastava ovisno o visini. Oblaci na višim razinama nastaju pri tlakovima nižim od jednog bara, gdje je temperature pogodna za kondenzaciju metana. Za tlakove između jednog i pet bari (100 i 500 kPa), vjeruje se da nastaju oblaci amonijaka i sumporovodika. Za tlakove iznad pet bari vjeruje se da se oblaci sastoje od amonijaka, amonijevog sulfida, sumporovodika i vode. Dublji oblaci od vodenog leda bi se trebali nalaziti pri tlakovima od 50 bari (5,0 MPa), gdje temperature dosežu 0 °C
Oblaci na velikim visinama su promatrani kako bacaju sjene na niži oblačni sloj. Također su vidljive veliko-visinske trake oblaka koje okružuju planet na konstantnoj zemljopisnoj širini. Široki su od 50 do 150 km te leže oko 50 do 110 km iznad oblačnog sloja.
Neptun podsjeća na Uran i po pitanju magnetosfere s magnetskim poljem koje je nagnuto u odnosu na rotacijsku os za 47° te za oko 13500 km od planetovog fizičkog središta. Prije dolaska Voyagera 2 do Neptuna, pretpostavljalo se da je Uranova nagnuta magnetosfera posljedica njegove bočne rotacije. Usporedbom polja dva planeta, znanstvenici danas vjeruju da je ovaj fenomen osobnost vezana za tokove u unutrašnjosti planeta. Moguće je da polje nastaje konvekcijom fluidnih kretanja u tankoj sferičnoj školjci vodljivih likvida (vjerojatno kombinacija amonijaka, metana i vode) što rezultira dinamo akcijom.
Dipolna komponenta magnetskog polja na magnetskom ekvatoru Neptuna iznosi oko 14 mikrotesli. Dipolni magnetski moment je 2,2 x 1017 T m3. Neptunovo magnetsko polje ima složenu geometriju koja uključuje relativno velike utjecaje od ne-dipolarnih komponenti, uključujući snažan kvadrupolni moment koji može nadmašiti dipolni moment u snazi. Suprotno tome, Zemlja, Jupiter i Saturn imaju relativno malene kvadripolne momente te su im polja manje odmaknuta od polarne osi.
