위성
해왕성의 위성들은 지금까지 14개가 발견되었습니다. 제1위성 트리톤은 14개 위성들 중 압도적으로 크고 무거워, 해왕성 주위를 공전하는 천체들의 질량 중 99.5% 이상을 차지하며, 회전구면체 형태를 유지할 수 있을 만큼 질량이 큰 유일한 해왕성 위성입니다. 트리톤은 해왕성이 발견되고 불과 17일 뒤에 윌리엄 라셀이 발견했습니다. 태양계의 다른 거대 위성들과 달리 트리톤은 역행 궤도를 따라 공전하는데, 이것은 트리톤이 해왕성과 함께 생성된 것이 아니라 해왕성의 중력에 포획되었다는 것을 뜻합니다. 트리톤은 아마 카이퍼 대의 왜행성이었을 것입니다. 또한 트리톤은 동주기 자전을 할 정도로 해왕성에 가까이 있는데, 조수 가속 때문에 천천히 나선형을 그리며 가라앉고 있습니다. 3억 6천만 년 뒤쯤이면 로슈 한계에 다다른 트리톤은 결국 갈기갈기 찢어지고 말 것입니다. 트리톤은 지금까지 온도가 측정된 태양계 천체 중 가장 차가운 천체 중 하나로, 온도의 측정값은 −235 °C (38 K)입니다.
두 번째로 발견된 해왕성 위성은 불규칙하게 생긴 네레이드로, 태양계의 위성들 중 궤도의 이심률이 가장 큰 천체 중 하나입니다. 이심률이 0.7512 정도로, 해왕성으로부터 네레이드의 궤도 최원점까지의 거리는 네레이드의 근점까지의 거리의 7배나 됩니다.
1989년 7월부터 9월까지 보이저 2호는 해왕성의 위성을 6개 더 발견했습니다. 이 중 질량이 두 번째로 큰 프로테우스는 태양계의 불규칙 위성들 중에서 질량이 가장 커, 자체 질량으로 구형을 유지할 수 있는 한계의 바로 아래에 있는 것으로 보입니다. 프로테우스가 해왕성의 위성들 중에서 질량이 둘째 간다고는 하지만 그 질량은 트리톤의 겨우 4분의 1밖에 되지 않습니다. 해왕성에 가장 가까이 있는 네 위성 나이아드, 탈라사, 데스피나, 갈라테아는 해왕성의 고리에 거의 근접할 정도로 가까이서 해왕성을 공전합니다. 이 네 위성의 바깥쪽에 있는 라리사는 1981년에 별을 엄폐하며 발견되었습니다. 이 엄폐 현상은 해왕성 고리의 아크 구조 때문으로 생각되었지만, 보이저 2호가 1989년에 해왕성을 탐사한 결과, 위성 때문에 일어난 현상으로 밝혀졌습니다. 2002년 ~ 2003년 동안 5개의 불규칙 위성이 더 발견되어 2004년에 발표되었습니다. 해왕성의 이름이 로마 신화의 해양신 넵투누스에서 유래했기 때문에, 해왕성의 위성들의 이름은 하위 해신들의 이름을 따서 명명되었습니다.
행성 고리
해왕성에는 행성 고리 구조가 있는데, 토성의 고리보다는 훨씬 미약합니다. 고리의 구성 성분은 규산염이나 탄화물이 낀 얼음 조각으로 보이며, 이 때문에 고리가 붉은빛을 띠는 것 같습니다. 해왕성 중심부에서 63000 km 위에 있는 좁은 애덤스 고리, 53000 km 위에 있는 르베리에 고리, 그리고 42000 km 위에 있는 넓고 희미한 갈레 고리가 주 고리입니다. 르베리에 고리 바깥쪽으로 퍼져 있는 희미한 영역은 러셀 고리라고 하며, 중심부에서 57000 km 위에 있는 아라고 고리가 러셀 고리의 바깥쪽 한계입니다.
이 고리 구조는 1968년에 에드워드 기넌 팀이 최초로 발견했으나, 이후 고리가 불완전할 수 있다고 생각되었습니다. 1984년 항성 엄폐 당시 해왕성이 항성을 가리자 별빛이 깜박거리는 현상이 목격되었고, 이것은 고리에 간극이 있다는 증거로 떠올랐습니다. 1989년에 보이저 2호가 촬영한 사진은 수 개의 희미한 고리 구조를 보여 줌으로써 이 문제는 해결되었습니다. 해왕성의 고리들은 매우 비정상적인 구조를 하고 있는데, 그 이유는 아직 확실하게 밝혀지지는 않았지만 고리 주위에 있는 작은 위성들의 중력적 상호 작용 때문으로 추측됩니다.
가장 바깥쪽에 있는 애덤스 고리에는 다섯 개의 뚜렷한 아크 구조가 보이는데, 각각 ‘커리지’(용기), ‘리베흐테’(자유), ‘에갈리테 1·2’(평등), ‘프라테르니테’(박애)라고 이름 붙여졌습니다. 운동 법칙에 따르면 이 아크들은 매우 짧은 시간 안에 고르게 고리로 퍼져나가야 함에도 불구하고 유지되는 까닭은 아직 밝혀지지 않았습니다. 고리 바로 안쪽에 위치한 위성 갈라테아의 중력적 효과에 의해 입자들이 현재의 위치에 가두어져 아크 구조가 생겼다는 가설이 있습니다.
2005년에는 지구에서 관측한 결과, 해왕성의 고리들이 이전까지 생각했던 것보다 더 불안정하다는 사실이 드러났습니다. W. M. 켁 천문대가 2002년과 2003년에 촬영한 사진들은, 보이저 2호가 촬영한 사진과 비교해 보았을 때, 고리에 상당량의 손실이 있었다는 것을 나타내고 있었습니다. 특히, 애덤스 고리의 리베흐테 아크는 한 세기 안에 사라질 것으로 보입니다.
해왕성 탐사
보이저 2호는 1989년 8월 25일에 해왕성에 가장 가까이 접근했습니다. 해왕성은 보이저가 방문할 수 있는 마지막 행성이었기 때문에 보이저 1호가 토성과 그 위성 타이탄에서 그렇게 했던 것처럼 궤도 변화에는 상관없이 해왕성과 그 위성 트리톤을 근접 통과하기로 결정되었습니다. 이때 보이저 2호가 지구로 전송한 사진들은 1989년 PBS의 철야 프로그램 《해왕성 올나이트》(Neptune All Night)의 기초가 되었습니다.
해왕성 접근 당시, 우주선의 신호가 지구까지 닫는 데는 246분이 걸렸습니다. 그랬기 때문에, 보이저 2호의 해왕성 탐사 임무 대부분은 사전 명령에 의존할 수밖에 없었습니다. 8월 25일, 우주선은 위성 네레이드가 해왕성의 대기층에서 4400 km 떨어진 시점에서 네레이드에 근접 접근한 뒤 같은 날 해왕성 최대의 위성 트리톤으로 진로를 틀었습니다.
보이저는 해왕성을 둘러싼 자기장의 존재를 발견했으며, 이 자기장은 천왕성의 자기장처럼 중심에서 갈라져 나와 자전축에 대해 심하게 기울어 있다는 것을 밝혀냈고, 해왕성의 자전 주기는 전파 방출을 분석하여 측정했습니다. 또한 보이저는 해왕성에 놀랄 만큼 활동적인 기후 시스템이 있다는 것을 발견했으며, 여섯 개의 위성과 한 개 이상의 고리가 새로 발견되었습니다.
2003년, 미국 항공우주국의 "임무 가능성 연구"(Vision Missions Studies)에 핵분열 기반의 전력이나 추진력 없이 카시니-하위헌스 호 정도의 역할을 할 "해왕성 궤도선과 탐사기"(Neptune Orbiter with Probes)를 실행하자는 제안이 올라왔습니다. 작업은 제트 추진 연구소와 캘리포니아 공과대학교가 공동으로 추진하였으나, 취소되었습니다.
넵튠 오디세이(Neptune Odyssey)는 현재 NASA가 계획 중인 해왕성 궤도선과 대기 탐사선의 임무 개념으로, 2031년에서 2033년 사이에 발사해 2049년까지 해왕성에 도착할 것으로 계획 중인 대규모 전략 과학 임무입니다.