天王星是一個奇怪的環狀行星。(Image credit: SCIEPRO via Getty Images)
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（By Charles Q. Choi）：天王星是離太陽第七遠的行星，也是太陽係第三大行星。
雖然天王星是肉眼可見的，但由於這顆行星的昏暗和緩慢的軌道，它長期被誤認為是一顆恒星。這顆行星也因其戲劇性的傾斜而聞名，這使得它的軸幾乎直接指向太陽。
1781年3月13日，英國天文學家威廉·赫歇爾用他的望遠鏡發現了天王星，當時他正在觀測所有比肉眼可見的暗10倍的恒星。一顆恒星看起來不同，不到一年，赫歇爾意識到這顆恒星遵循行星軌道。
天王星(大約在1850年後通常這樣稱呼)是以希臘天空之神烏拉諾斯命名的，烏拉諾斯是最早的天空之神。這是唯一一個以希臘神而不是羅馬神命名的星球。在這個名字確定下來之前，已經為這顆新行星提出了許多名字，包括Hypercronius(“土星之上”)、Minerva(羅馬智慧女神)和Herschel，以它的發現者命名。為了奉承英國國王喬治三世，赫歇爾提議將喬治姆·西多斯(Georgium Sidus)命名為“格魯吉亞星球”，但這個想法在英格蘭和喬治國王的家鄉德國漢諾威之外並不受歡迎。
德國天文學家約翰·波德詳細描述了天王星的軌道，並給了這顆行星最終的名字。伯德認為，由於土星是木星的父親，這顆新行星應該以土星的父親命名。
物理性質
天王星是藍綠色的，這是其主要由氫氦構成的大氣中含有甲烷的結果。這顆行星通常被稱為冰巨人，因為它至少80%的質量是水、甲烷和氨冰的液體混合物。
與太陽係的其他行星不同，天王星傾斜得如此之遠，以至於它基本上是以其側麵繞太陽運行，其旋轉軸幾乎指向這顆恒星。這種不尋常的方向可能是由於在它形成後不久與一個行星大小的天體或幾個小天體發生了碰撞。2018年的一項研究表明，碰撞的世界可能是地球的兩倍大。
這種不尋常的傾斜導致了持續約20年的極端季節。這意味著將近四分之一的天王星年，相當於84個地球年，太陽直接照射在每個極點上，讓地球的另一半經曆漫長、黑暗和寒冷的冬天。
天王星擁有太陽係所有行星中最冷的大氣層，盡管它離太陽不是最遠的。這是因為天王星幾乎沒有內部熱量來補充來自太陽的熱量。
大多數行星的磁極通常或多或少與它的旋轉軸對齊，但天王星的磁場是傾斜的，其磁軸與行星的旋轉軸傾斜近60度。這導致天王星奇怪的不平衡磁場，北半球表麵的磁場強度是南半球表麵磁場強度的10倍以上。2017年的一項研究表明，天王星磁場的不平衡性質也可能導致它在每次旋轉期間閃爍不定(大約每17.24小時一次)。
按體積計算，天王星的大氣成分是82.5%的氫，15.2%的氦和2.3%的甲烷。它的內部結構由水、氨和甲烷冰組成，核心是鐵和鎂的矽酸鹽。根據美國宇航局的數據，天王星與太陽的平均距離約為18億英裏(29億公裏)。這大約是地球到太陽距離的19倍。
專家解答的天王星常見問題
我們向Ravit Helled——一位專門研究行星形成、行星內部結構、行星演化和太陽係物理學的行星科學家——詢問了一些關於天王星的常見問題。
拉維特·赫勒德行星科學家
Ravit Helland是蘇黎世大學理論天體物理學和宇宙學中心計算科學研究所的教授，他專門研究行星形成、行星內部、行星演化和太陽係物理學。
天王星是什麽類型的行星？
天王星被認為是一個“冰巨人”,盡管這個名字有點誤導。它是一種不同類型的行星，不同於土星和木星等氣態巨行星，也不同於地球或火星等類地行星。它和海王星是我們太陽係中一個獨特群體的一部分。
它也是我們所說的中等質量行星，因為它比質量大約是地球15倍的類地行星要大得多。同時，天王星比木星和土星等氣態巨行星要小得多，它們的質量分別是地球的300倍和近100倍。
天王星確實是一種獨特的行星類型，我們對這種行星類型了解不多。
是什麽讓天王星成為太陽係中最冷的行星？
天王星是唯一一顆真正與太陽處於熱平衡的行星，關於為什麽它的表麵看起來很冷有兩種選擇。首先，它實際上可能是天王星內部很熱，但這種熱量被截留了。這意味著它不能冷卻，所以它裏麵很熱，外麵很冷。
或者，它可能隻是設法失去了它的原始熱量，例如，通過一次巨大的撞擊或另一個未知的過程。所以簡短的回答是，我們並不真正知道它為什麽冷，這是圍繞天王星的最大謎團之一。
我們目前對天王星的組成了解多少？
天王星的組成是未知的，我們需要有一個航天器訪問它，並獲得更好的和補充數據。我們認為它是由重元素組成的，這在天體物理學中意味著比氦重的元素。天王星預計會有許多“冰”，可能是水、氨和甲烷，但也有一些岩石和氫氦。所以它的大部分元素都比氦重，還有一些氫原子和氦原子在它的氣態大氣中。
雖然木星和土星的成分由氫和氦控製，而類地行星的成分由更重的元素控製，但天王星介於兩者之間。
但是這些重元素是什麽，我們不知道。它被認為是一些冰，但不僅僅是水，它也可能是甲烷和氨冰，事實上，這些物質可能處於液體/流體狀態。天王星也可能有像岩石一樣的矽酸鹽，我們不知道行星內部冰和矽酸鹽之間的比例是多少。
為什麽天王星和海王星有時被稱為“雙胞胎”？
這些冰巨人在質量和大小上非常相似，並且碰巧是太陽係中最遠的行星。他們還有其他相似之處，比如平均密度，但他們絕對不能被稱為“同卵雙胞胎”
它們輻射的熱量、軸向傾斜和衛星係統都不同；天王星有小的規則衛星，總共有27顆已知衛星，而海王星的衛星Triton要大得多，可能是一顆被捕獲的衛星。
我們想知道的是，這些獨特的差異是因為不同的形成過程，還是天王星和海王星在形成後相對相似，直到發生了導致這些差異的其他過程。例如，在過去的某個時刻是否有巨大的撞擊導致了這些差異。
理解天王星和海王星之間的這些差異的起源對於更好地描述這種行星類型也是至關重要的。
在銀河係的其他地方，類似天王星的世界有多普遍？
根據現有的數據，中等質量的行星似乎是最常見的行星之一，如果不是最常見的話，其中一些係外行星是所謂的超級地球，並不像天王星。
還有一點需要注意的是，我們今天觀察到的係外行星僅限於距離其恒星非常近的行星。這意味著類天王星行星還沒有被觀測到，因為天王星的軌道離它的主星太陽非常遠。
為什麽太空科學家對探索天王星如此感興趣？
天王星確實是一顆迷人的行星，被許多神秘事物包圍著，包括它不尋常的多極磁場，而不是我們熟悉的偶極磁場。
我想知道天王星是由什麽組成的，確定它的內部結構，並了解它是如何形成的。它是在我們今天看到的地方形成的，還是在太陽係更遠的地方形成並向外遷移，還是在更遠的地方形成並向內遷移？
目前圍繞天王星的公開問題比答案更多，它們都多少有些相互關聯。這是一個未經探索的世界，人們對它了解甚少。所以是的，是時候給它更多的關注了。
天王星裏麵有什麽？
我們太陽係的第七顆行星是一個由氣體和液體組成的巨大球體。它向一側傾斜的程度如此之大，以至於它的軸幾乎與它繞太陽的路徑平齊。像其他的氣體和冰巨人一樣，天王星有厚厚的雲層。它的藍綠色是其大氣中甲烷的結果。
天王星的氣候
天王星經曆的極端軸向傾斜會導致不尋常的天氣。根據美國宇航局的說法，當陽光多年來第一次到達一些地區時，它加熱了大氣，引發了巨大的春季風暴。
然而，當旅行者2號於1986年在其南部盛夏拍攝天王星時，該航天器看到了一個隻有大約10朵可見雲的平淡無奇的球體，導致它被稱為“最無聊的行星”，天文學家海蒂·哈默爾在“天王星和海王星的冰巨人係統”中寫道，這是“太陽係更新”(斯普林格，2007年)的一章，這是太陽係科學評論的匯編。幾十年後，當哈勃等先進的望遠鏡開始發揮作用，天王星的漫長季節發生變化時，科學家們才目睹了天王星上的極端天氣。
2014年，天文學家第一次瞥見了天王星上肆虐的夏季風暴。奇怪的是，這些巨大的風暴發生在地球最接近太陽的七年後，為什麽巨大的風暴發生在太陽對地球的加熱達到最大值之後仍然是一個謎。
天王星上其他不尋常的天氣包括鑽石雨，鑽石雨被認為會沉入天王星和海王星等冰冷的巨行星表麵下數千英裏。碳和氫被認為在這些行星大氣層深處的極端高溫和壓力下壓縮形成鑽石，然後被認為向下沉降，最終沉積在這些世界的核心周圍。
天王星有光環嗎？
天王星環是繼土星環之後第一個被看到的。這是一個重要的發現，因為它幫助天文學家理解了光環是行星的共同特征，而不僅僅是土星的獨特之處。
天王星擁有兩套光環。內部的光環係統主要由窄而暗的光環組成，而由哈勃太空望遠鏡發現的兩個更遠的光環組成的外部係統顏色明亮:一個紅色，一個藍色。科學家們已經確定了天王星周圍的13個已知光環。
2016年的一項研究表明，天王星、土星和海王星的光環可能是很久以前過於靠近巨型世界的類冥王星矮行星的殘餘。這些矮行星在行星的巨大引力下被撕裂，今天被保存為環狀。
哈勃太空望遠鏡每年都觀測天王星。(Image credit: ESA/Hubble & NASA, L. Lamy / Observatoire de Paris)
天王星有衛星嗎？
天王星有27顆已知的衛星。它的前四個月亮不是以希臘或羅馬神話中的人物命名的，而是以英國文學中的魔法精靈命名的，如威廉·莎士比亞的《仲夏夜之夢》和亞曆山大·蒲柏的《鎖的強奸》。從那以後，天文學家延續了這一傳統，從莎士比亞或蒲柏的作品中為衛星命名。
奧伯龍和二氧化鈦是最大的天王星衛星，是赫歇爾在1787年首先發現的。威廉·拉塞爾也是第一個看到衛星繞海王星旋轉的人，他發現了天王星的下兩個衛星，Ariel和Umbriel。將近一個世紀過去了，著名的荷蘭裔美國天文學家傑拉德·柯伊伯在1948年發現了米蘭達。
1986年，旅行者2號訪問了天王星係統，發現了另外10顆衛星，直徑都隻有16到96英裏(26到154公裏):朱麗葉，帕克，科迪莉亞，奧菲莉亞，比安卡，苔絲德蒙娜，波西亞，羅莎琳德，克雷西達和貝琳達。這些衛星中的每一個都大致一半是水冰，一半是岩石。
自那以後，天文學家利用哈勃和地麵天文台將總數提高到了27個已知的衛星，發現這些衛星是很棘手的——它們的直徑隻有8到10英裏(12到16公裏)，比瀝青還要黑，距離近30億英裏(48億公裏)。
在Cordelia，Ophelia和Miranda之間是一群八顆小衛星，它們緊緊地擠在一起，天文學家還不明白這些小衛星是如何避免相互碰撞的。天王星環的異常導致科學家們懷疑可能還有更多的衛星。
除了衛星，天王星可能還有一係列特洛伊小行星——與行星共享相同軌道的物體——位於一個稱為拉格朗日點的特殊區域。第一顆是在2013年發現的，盡管有人聲稱這顆行星的拉格朗日點太不穩定，無法容納這樣的天體。
這張由旅行者2號飛船拍攝的蒙太奇圖像描繪了天王星和它的五個主要衛星。衛星，從最大到最小，因為他們出現在這裏，是阿裏爾，米蘭達，泰坦尼婭，奧伯龍和翁布裏爾。 (Image credit: NASA/JPL)
天王星研究和探索
美國宇航局的旅行者2號是第一艘也是迄今為止唯一一艘造訪天王星的航天器。雖然目前沒有宇宙飛船飛往天王星，但天文學家會定期使用哈勃和凱克望遠鏡查看這顆行星。
2011年，行星科學十年調查建議美國宇航局考慮對這顆冰冷的星球進行考察。2017年，美國宇航局提出了一些潛在的未來天王星任務，以支持即將到來的行星科學十年調查，包括飛越，軌道飛行器，甚至是潛入天王星大氣層的航天器。科學家們仍在討論這個想法。2019年，美國宇航局戈達德太空飛行中心提出，一種可能的設計可能涉及一個大氣探測器，類似於伽利略任務期間在木星使用的探測器。
2018年，一群雄心勃勃的早期職業科學家和工程師創建了一個理論上的完整任務設計，耗資10億美元，並利用了將在21世紀30年代發生的行星排列。在相對較低的成本下，該任務將執行最少的科學任務，但仍可能包括磁力計、甲烷探測器和照相機等項目。
