מהן הגורמים להפרעות שהתגלו במסלול כוכב אורנוס?

האסטרונום ויליאם הרשל גילה את אורנוס בשנת 1781. זה היה כוכב הלכת הראשון שהתגלה באמצעות טלסקופ והכוכב הראשון שלא היה בתצפית מתמדת מאז ימי קדם. בשנים שלאחר גילויו עקבו אסטרונומים אחר כוכב הלכת החדש בזהירות רבה. הם גילו הפרעות במסלולו, שאת חלקן ניתן היה להסביר על ידי השפעות הכבידה של כוכבי לכת ידועים כמו צדק ושבתאי, בעוד שאחרים הובילו לגילוי כוכב הלכת שעד כה לא ידוע נפטון.

עד שהתגלה אורנוס, החוקים הפיזיקליים השולטים בדינמיקה של מערכת השמש הובנו היטב. הכוח היחיד הכרוך בכך הוא כוח הכבידה, שניתן לשלב אותו עם חוקי התנועה של ניוטון כדי לספק תיאור מתמטי מקיף של מסלולים פלנטריים. המשוואות המתקבלות קפדניות ביותר ומאפשרות לנבא תנועה של כוכב לכת על פני השמים ברמת דיוק גבוהה. זה כבר נעשה בכוכבי הלכת הידועים בעבר, וזה נעשה למען אורנוס תוך שנתיים מגילויו.

בתחילה נראה כי תנועתו של אורנוס עוקבת היטב אחר התחזיות. אולם בהדרגה המיקום הנצפה של כדור הארץ החל לסטות ממיקומו הצפוי. בשנת 1830 היה הפער יותר מפי ארבע מקוטרו של כדור הארץ ולא ניתן היה להתעלם ממנו יותר. הסבר אחד, המועדף על ידי כמה אסטרונומים, היה כי ניסוח הכבידה של ניוטון היה בטעות, וכתוצאה מכך היו תחזיות שהיו נכונות בערך אך לא בדיוק. האפשרות היחידה האחרת הייתה שאובייקט לא ידוע מסתובב אי שם בקצה החיצוני של מערכת השמש.

החישובים המקוריים של מסלול אורנוס לקחו בחשבון את השפעות הכבידה של כל האובייקטים הידועים במערכת השמש. ההשפעה העיקרית הייתה מהשמש, אך היו השפעות מטרידות מכוכבי הלכת הענקיים צדק ושבתאי. הפער שנצפה העלה כי ישנו כוכב לכת גדול נוסף שמחכה להתגלות מעבר למסלול אורנוס. בתיאוריה ניתן היה לחשב את מסלולו של כוכב הלכת הלא-גלוי הזה בדיוק סביר על סמך ההפרעות שנצפו בעמדתו של אורנוס. חישובים אלה בוצעו בשנת 1843 על ידי אסטרונום אנגלי, ג'ון קוש אדאמס, אך למרבה הצער לא הוכרה אז משמעותם באנגליה.

חישובים דומים מאוד לאלה של אדמס בוצעו על ידי מדען צרפתי, אורבן לה-ורייר, זמן קצר לאחר מכן. באמצעות דמויותיו של לה ורייר, אסטרונומים במצפה הכוכבים בברלין גילו את כוכב הלכת החזוי בשנת 1846, ולאחר מכן הוא קיבל את השם נפטון. לאחר גילוי נפטון ועד למאה העשרים, הייתה מחלוקת האם קיומו הסביר באופן מלא את ההפרעות השיוריות במסלול אורנוס. אך רוב האסטרונומים כיום מאמינים שזה אכן המקרה.