L'astronome William Herschel a découvert Uranus en 1781. C'était la première planète découverte à l'aide d'un télescope et la première qui n'avait pas été constamment observée depuis l'Antiquité. Dans les années qui ont suivi sa découverte, les astronomes ont suivi très attentivement la nouvelle planète. Ils ont découvert des perturbations dans son orbite, dont certaines pourraient être expliquées par les effets gravitationnels de planètes connues telles que Jupiter et Saturne, tandis que d'autres ont conduit à la découverte de la planète jusqu'alors inconnue Neptune.
Dynamique du système solaire
Au moment où Uranus a été découvert, les lois physiques régissant la dynamique du système solaire étaient très bien comprises. La seule force impliquée est la gravité, qui peut être combinée avec les lois du mouvement de Newton pour fournir une description mathématique complète des orbites planétaires. Les équations résultantes sont extrêmement rigoureuses, permettant de prédire le mouvement d'une planète dans le ciel avec un haut degré de précision. Cela avait déjà été fait pour les planètes précédemment connues, et cela a été fait pour Uranus dans les deux ans suivant sa découverte.
Divergences Orbitales
Initialement, le mouvement d'Uranus semblait très bien suivre les prédictions. Peu à peu, cependant, l'emplacement observé de la planète a commencé à diverger de sa position attendue. En 1830, l'écart était plus de quatre fois le diamètre de la planète et ne pouvait plus être ignoré. Une explication, favorisée par certains astronomes, était que la formulation de la gravité de Newton était erronée, entraînant des prédictions approximativement mais pas exactement correctes. La seule autre possibilité était qu'un objet inconnu soit en orbite quelque part aux confins du système solaire.
Prédire une nouvelle planète
Les calculs originaux de l'orbite d'Uranus ont pris en compte les effets gravitationnels de tous les objets connus du système solaire. L'effet principal provenait du soleil, mais il y avait des effets perturbateurs des planètes géantes Jupiter et Saturne. L'écart observé suggérait qu'il y avait une autre grande planète en attente d'être découverte au-delà de l'orbite d'Uranus. En théorie, l'orbite de cette planète non découverte pourrait être calculée avec une précision raisonnable sur la base des perturbations observées dans la position d'Uranus. Ces calculs ont été effectués en 1843 par un astronome anglais, John Couch Adams, mais malheureusement leur signification n'a pas été reconnue en Angleterre à l'époque.
La découverte de Neptune
Des calculs très similaires à ceux d'Adams ont été effectués par un scientifique français, Urbain Le Verrier, peu de temps après. En utilisant les chiffres de Le Verrier, les astronomes de l'Observatoire de Berlin ont découvert la planète prédite en 1846, et elle a ensuite reçu le nom de Neptune. Après la découverte de Neptune et bien au début du 20e siècle, il y a eu une controverse quant à savoir si son existence expliquait pleinement les perturbations résiduelles de l'orbite d'Uranus. Mais la plupart des astronomes pensent aujourd'hui que c'est effectivement le cas.