Nettuno è l’unico pianeta gigante che non è visibile senza un telescopio. Avendo una magnitudine apparente di 7,8, è circa un quinto della luminosità delle stelle più deboli visibili ad occhio nudo. Quindi, è abbastanza certo che non ci siano state osservazioni di Nettuno prima dell’uso dei telescopi. Galileo è accreditato come la prima persona a vedere il cielo con un telescopio nel 1609. I suoi schizzi di qualche anno dopo, il primo dei quali fu fatto il 28 dicembre 1612, suggeriscono che egli vide Nettuno quando passava vicino a Giove, ma non lo riconobbe come un pianeta.
Prima della scoperta di Urano da parte dell’astronomo inglese William Herschel nel 1781, il consenso tra gli scienziati e i filosofi era che i pianeti del sistema solare fossero limitati a sei – la Terra più i cinque pianeti che erano stati osservati nel cielo fin dai tempi antichi. La conoscenza di un settimo pianeta portò quasi immediatamente gli astronomi e altri a sospettare l’esistenza di altri corpi celesti. Un ulteriore impulso venne da una curiosità matematica che è diventata nota come legge di Bode, o legge di Tizio-Bode. Nel 1766 il tedesco Johann Daniel Titius notò che i pianeti allora conosciuti formavano una progressione ordinata nella distanza media dal Sole che poteva essere espressa come una semplice equazione matematica. In unità astronomiche (AU; la distanza media Sole-Terra), la distanza di Mercurio è quasi 0,4; le distanze di Venere, Terra, Marte, Giove e Saturno sono circa 0,4 + (0,3 × 2n), in cui n è 0, 1, 2, 4 e 5, rispettivamente, per i cinque pianeti. L’astronomo Johann Elert Bode, anch’egli tedesco, pubblicò la legge nel 1772 in un popolare libro introduttivo di astronomia, proponendo che il 3 mancante nella progressione potesse indicare un pianeta non ancora scoperto tra Marte e Giove.
Il suggerimento fu accolto con poco entusiasmo fino a quando la distanza media di Urano, a 19,2 AU, fu notato essere molto quasi uguale a quella prevista dalla legge di Bode (19,6 AU) per n = 6. Inoltre, quando i primi asteroidi, a partire dalla scoperta di Cerere nel 1801, furono trovati in orbita tra Marte e Giove, essi soddisfacevano il caso n = 3 dell’equazione.
Alcuni astronomi furono così impressionati dall’apparente successo della legge di Bode che proposero il nome di Ophion per il grande pianeta che la legge diceva loro dovesse trovarsi oltre Urano per il caso n = 7, ad una distanza di 38,8 AU. Oltre a questa previsione scientificamente infondata, le osservazioni di Urano fornirono la prova effettiva dell’esistenza di un altro pianeta. Urano non stava seguendo il percorso previsto dalle leggi del moto di Newton e dalle forze gravitazionali esercitate dal Sole e dai pianeti conosciuti. Inoltre, più di 20 avvistamenti registrati prima della scoperta di Urano, risalenti al 1690, erano in disaccordo con le posizioni calcolate di Urano per il rispettivo periodo in cui ogni osservazione era stata fatta. Sembrava possibile che l’attrazione gravitazionale di un pianeta non ancora scoperto stesse perturbando l’orbita di Urano.
Nel 1843 il matematico britannico John Couch Adams iniziò uno studio serio per vedere se poteva prevedere la posizione di un pianeta più lontano che avrebbe spiegato gli strani movimenti di Urano. Adams comunicò i suoi risultati all’astronomo reale, George B. Airy, all’Osservatorio di Greenwich, ma apparentemente non furono considerati abbastanza precisi per iniziare una ricerca ragionevolmente concisa del nuovo pianeta. Nel 1845 il francese Urbain-Jean-Joseph Le Verrier, ignaro degli sforzi di Adams in Gran Bretagna, iniziò uno studio simile per conto suo.
A metà del 1846 l’astronomo inglese John Herschel, figlio di William Herschel, aveva espresso la sua opinione che gli studi matematici in corso avrebbero potuto portare alla scoperta di un nuovo pianeta. Airy, convinto dagli argomenti di Herschel, propose una ricerca basata sui calcoli di Adams a James Challis dell’Osservatorio di Cambridge. Challis iniziò un esame sistematico di una vasta area di cielo che circondava la posizione prevista da Adams. La ricerca fu lenta e noiosa perché Challis non aveva mappe dettagliate delle stelle fioche nell’area in cui era stato previsto il nuovo pianeta. Disegnava le carte delle stelle che osservava e poi le confrontava con la stessa regione diverse notti dopo per vedere se qualcuna si era spostata.
Le Verrier ebbe anche difficoltà a convincere gli astronomi del suo paese che una ricerca telescopica del cielo nella zona che aveva previsto per il nuovo pianeta non era una perdita di tempo. Il 23 settembre 1846, comunicò i suoi risultati all’astronomo tedesco Johann Gottfried Galle dell’Osservatorio di Berlino. Galle e il suo assistente Heinrich Louis d’Arrest avevano accesso a mappe stellari dettagliate del cielo faticosamente costruite per aiutare nella ricerca di nuovi asteroidi. Galle e d’Arrest identificarono Nettuno come una stella sconosciuta quella stessa notte e verificarono la notte successiva che si era spostata rispetto alle stelle di sfondo.
Anche se Galle e d’Arrest hanno la particolarità di essere stati i primi a identificare Nettuno nel cielo notturno, il merito della sua “scoperta” spetta probabilmente a Le Verrier per i suoi calcoli della direzione di Nettuno nel cielo. All’inizio i francesi tentarono di proclamare Le Verrier come unico scopritore del nuovo pianeta e suggerirono persino che il pianeta prendesse il suo nome. La proposta non fu accolta favorevolmente al di fuori della Francia, sia per il contributo riportato da Adams, sia per la generale riluttanza a dare il nome di un pianeta importante ad un individuo vivente. La scoperta di Nettuno fu infine accreditata sia ad Adams che a Le Verrier, anche se ora sembra probabile che il contributo di Adams fosse meno sostanziale di quanto si credesse in precedenza. È comunque appropriato che la pratica più tradizionale di usare nomi della mitologia antica per i pianeti alla fine prevalse.
La scoperta di Nettuno ha finalmente messo a riposo la legge di Bode. Invece di essere vicino ai 38,8 AU previsti, Nettuno si trovò a soli 30,1 AU dal Sole. Questa discrepanza, unita alla mancanza di qualsiasi spiegazione scientifica sul perché la legge dovesse funzionare, la screditò. La scoperta nel 1930 di Plutone, considerato all’epoca il nono pianeta, a una distanza di 39,5 AU era ancora più in contrasto con la previsione dell’equazione di 77,2 AU per n = 8. Nemmeno la vicinanza della distanza media di Plutone ai 38,8 AU previsti per n = 7 poteva far risorgere la credibilità della legge di Bode.