天王星：你需要知道的关于太阳系最冷行星的一切

天王星是一个奇怪的环状行星。(Image credit: SCIEPRO via Getty Images)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Charles Q. Choi）：天王星是离太阳第七远的行星，也是太阳系第三大行星。

虽然天王星是肉眼可见的，但由于这颗行星的昏暗和缓慢的轨道，它长期被误认为是一颗恒星。这颗行星也因其戏剧性的倾斜而闻名，这使得它的轴几乎直接指向太阳。

1781年3月13日，英国天文学家威廉·赫歇尔用他的望远镜发现了天王星，当时他正在观测所有比肉眼可见的暗10倍的恒星。一颗恒星看起来不同，不到一年，赫歇尔意识到这颗恒星遵循行星轨道。

天王星(大约在1850年后通常这样称呼)是以希腊天空之神乌拉诺斯命名的，乌拉诺斯是最早的天空之神。这是唯一一个以希腊神而不是罗马神命名的星球。在这个名字确定下来之前，已经为这颗新行星提出了许多名字，包括Hypercronius(“土星之上”)、Minerva(罗马智慧女神)和Herschel，以它的发现者命名。为了奉承英国国王乔治三世，赫歇尔提议将乔治姆·西多斯(Georgium Sidus)命名为“格鲁吉亚星球”，但这个想法在英格兰和乔治国王的家乡德国汉诺威之外并不受欢迎。

德国天文学家约翰·波德详细描述了天王星的轨道，并给了这颗行星最终的名字。伯德认为，由于土星是木星的父亲，这颗新行星应该以土星的父亲命名。

天王星是蓝绿色的，这是其主要由氢氦构成的大气中含有甲烷的结果。这颗行星通常被称为冰巨人，因为它至少80%的质量是水、甲烷和氨冰的液体混合物。

与太阳系的其他行星不同，天王星倾斜得如此之远，以至于它基本上是以其侧面绕太阳运行，其旋转轴几乎指向这颗恒星。这种不寻常的方向可能是由于在它形成后不久与一个行星大小的天体或几个小天体发生了碰撞。2018年的一项研究表明，碰撞的世界可能是地球的两倍大。

这种不寻常的倾斜导致了持续约20年的极端季节。这意味着将近四分之一的天王星年，相当于84个地球年，太阳直接照射在每个极点上，让地球的另一半经历漫长、黑暗和寒冷的冬天。

天王星拥有太阳系所有行星中最冷的大气层，尽管它离太阳不是最远的。这是因为天王星几乎没有内部热量来补充来自太阳的热量。

大多数行星的磁极通常或多或少与它的旋转轴对齐，但天王星的磁场是倾斜的，其磁轴与行星的旋转轴倾斜近60度。这导致天王星奇怪的不平衡磁场，北半球表面的磁场强度是南半球表面磁场强度的10倍以上。2017年的一项研究表明，天王星磁场的不平衡性质也可能导致它在每次旋转期间闪烁不定(大约每17.24小时一次)。

按体积计算，天王星的大气成分是82.5%的氢，15.2%的氦和2.3%的甲烷。它的内部结构由水、氨和甲烷冰组成，核心是铁和镁的硅酸盐。根据美国宇航局的数据，天王星与太阳的平均距离约为18亿英里(29亿公里)。这大约是地球到太阳距离的19倍。

我们向Ravit Helled——一位专门研究行星形成、行星内部结构、行星演化和太阳系物理学的行星科学家——询问了一些关于天王星的常见问题。

拉维特·赫勒德

行星科学家

Ravit Helland是苏黎世大学理论天体物理学和宇宙学中心计算科学研究所的教授，他专门研究行星形成、行星内部、行星演化和太阳系物理学。

天王星被认为是一个“冰巨人”,尽管这个名字有点误导。它是一种不同类型的行星，不同于土星和木星等气态巨行星，也不同于地球或火星等类地行星。它和海王星是我们太阳系中一个独特群体的一部分。

它也是我们所说的中等质量行星，因为它比质量大约是地球15倍的类地行星要大得多。同时，天王星比木星和土星等气态巨行星要小得多，它们的质量分别是地球的300倍和近100倍。

天王星确实是一种独特的行星类型，我们对这种行星类型了解不多。

天王星是唯一一颗真正与太阳处于热平衡的行星，关于为什么它的表面看起来很冷有两种选择。首先，它实际上可能是天王星内部很热，但这种热量被截留了。这意味着它不能冷却，所以它里面很热，外面很冷。

或者，它可能只是设法失去了它的原始热量，例如，通过一次巨大的撞击或另一个未知的过程。所以简短的回答是，我们并不真正知道它为什么冷，这是围绕天王星的最大谜团之一。

天王星的组成是未知的，我们需要有一个航天器访问它，并获得更好的和补充数据。我们认为它是由重元素组成的，这在天体物理学中意味着比氦重的元素。天王星预计会有许多“冰”，可能是水、氨和甲烷，但也有一些岩石和氢氦。所以它的大部分元素都比氦重，还有一些氢原子和氦原子在它的气态大气中。

虽然木星和土星的成分由氢和氦控制，而类地行星的成分由更重的元素控制，但天王星介于两者之间。

但是这些重元素是什么，我们不知道。它被认为是一些冰，但不仅仅是水，它也可能是甲烷和氨冰，事实上，这些物质可能处于液体/流体状态。天王星也可能有像岩石一样的硅酸盐，我们不知道行星内部冰和硅酸盐之间的比例是多少。

这些冰巨人在质量和大小上非常相似，并且碰巧是太阳系中最远的行星。他们还有其他相似之处，比如平均密度，但他们绝对不能被称为“同卵双胞胎”

它们辐射的热量、轴向倾斜和卫星系统都不同；天王星有小的规则卫星，总共有27颗已知卫星，而海王星的卫星Triton要大得多，可能是一颗被捕获的卫星。

我们想知道的是，这些独特的差异是因为不同的形成过程，还是天王星和海王星在形成后相对相似，直到发生了导致这些差异的其他过程。例如，在过去的某个时刻是否有巨大的撞击导致了这些差异。

理解天王星和海王星之间的这些差异的起源对于更好地描述这种行星类型也是至关重要的。

根据现有的数据，中等质量的行星似乎是最常见的行星之一，如果不是最常见的话，其中一些系外行星是所谓的超级地球，并不像天王星。

还有一点需要注意的是，我们今天观察到的系外行星仅限于距离其恒星非常近的行星。这意味着类天王星行星还没有被观测到，因为天王星的轨道离它的主星太阳非常远。

天王星确实是一颗迷人的行星，被许多神秘事物包围着，包括它不寻常的多极磁场，而不是我们熟悉的偶极磁场。

我想知道天王星是由什么组成的，确定它的内部结构，并了解它是如何形成的。它是在我们今天看到的地方形成的，还是在太阳系更远的地方形成并向外迁移，还是在更远的地方形成并向内迁移？

目前围绕天王星的公开问题比答案更多，它们都多少有些相互关联。这是一个未经探索的世界，人们对它了解甚少。所以是的，是时候给它更多的关注了。

我们太阳系的第七颗行星是一个由气体和液体组成的巨大球体。它向一侧倾斜的程度如此之大，以至于它的轴几乎与它绕太阳的路径平齐。像其他的气体和冰巨人一样，天王星有厚厚的云层。它的蓝绿色是其大气中甲烷的结果。

天王星经历的极端轴向倾斜会导致不寻常的天气。根据美国宇航局的说法，当阳光多年来第一次到达一些地区时，它加热了大气，引发了巨大的春季风暴。

然而，当旅行者2号于1986年在其南部盛夏拍摄天王星时，该航天器看到了一个只有大约10朵可见云的平淡无奇的球体，导致它被称为“最无聊的行星”，天文学家海蒂·哈默尔在“天王星和海王星的冰巨人系统”中写道，这是“太阳系更新”(斯普林格，2007年)的一章，这是太阳系科学评论的汇编。几十年后，当哈勃等先进的望远镜开始发挥作用，天王星的漫长季节发生变化时，科学家们才目睹了天王星上的极端天气。

2014年，天文学家第一次瞥见了天王星上肆虐的夏季风暴。奇怪的是，这些巨大的风暴发生在地球最接近太阳的七年后，为什么巨大的风暴发生在太阳对地球的加热达到最大值之后仍然是一个谜。

天王星上其他不寻常的天气包括钻石雨，钻石雨被认为会沉入天王星和海王星等冰冷的巨行星表面下数千英里。碳和氢被认为在这些行星大气层深处的极端高温和压力下压缩形成钻石，然后被认为向下沉降，最终沉积在这些世界的核心周围。

天王星环是继土星环之后第一个被看到的。这是一个重要的发现，因为它帮助天文学家理解了光环是行星的共同特征，而不仅仅是土星的独特之处。

天王星拥有两套光环。内部的光环系统主要由窄而暗的光环组成，而由哈勃太空望远镜发现的两个更远的光环组成的外部系统颜色明亮:一个红色，一个蓝色。科学家们已经确定了天王星周围的13个已知光环。

2016年的一项研究表明，天王星、土星和海王星的光环可能是很久以前过于靠近巨型世界的类冥王星矮行星的残余。这些矮行星在行星的巨大引力下被撕裂，今天被保存为环状。

哈勃太空望远镜每年都观测天王星。(Image credit: ESA/Hubble & NASA, L. Lamy / Observatoire de Paris)

天王星有27颗已知的卫星。它的前四个月亮不是以希腊或罗马神话中的人物命名的，而是以英国文学中的魔法精灵命名的，如威廉·莎士比亚的《仲夏夜之梦》和亚历山大·蒲柏的《锁的强奸》。从那以后，天文学家延续了这一传统，从莎士比亚或蒲柏的作品中为卫星命名。

奥伯龙和二氧化钛是最大的天王星卫星，是赫歇尔在1787年首先发现的。威廉·拉塞尔也是第一个看到卫星绕海王星旋转的人，他发现了天王星的下两个卫星，Ariel和Umbriel。将近一个世纪过去了，著名的荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯在1948年发现了米兰达。

1986年，旅行者2号访问了天王星系统，发现了另外10颗卫星，直径都只有16到96英里(26到154公里):朱丽叶，帕克，科迪莉亚，奥菲莉亚，比安卡，苔丝德蒙娜，波西亚，罗莎琳德，克雷西达和贝琳达。这些卫星中的每一个都大致一半是水冰，一半是岩石。

自那以后，天文学家利用哈勃和地面天文台将总数提高到了27个已知的卫星，发现这些卫星是很棘手的——它们的直径只有8到10英里(12到16公里)，比沥青还要黑，距离近30亿英里(48亿公里)。

在Cordelia，Ophelia和Miranda之间是一群八颗小卫星，它们紧紧地挤在一起，天文学家还不明白这些小卫星是如何避免相互碰撞的。天王星环的异常导致科学家们怀疑可能还有更多的卫星。

除了卫星，天王星可能还有一系列特洛伊小行星——与行星共享相同轨道的物体——位于一个称为拉格朗日点的特殊区域。第一颗是在2013年发现的，尽管有人声称这颗行星的拉格朗日点太不稳定，无法容纳这样的天体。

这张由旅行者2号飞船拍摄的蒙太奇图像描绘了天王星和它的五个主要卫星。卫星，从最大到最小，因为他们出现在这里，是阿里尔，米兰达，泰坦尼娅，奥伯龙和翁布里尔。 (Image credit: NASA/JPL)

美国宇航局的旅行者2号是第一艘也是迄今为止唯一一艘造访天王星的航天器。虽然目前没有宇宙飞船飞往天王星，但天文学家会定期使用哈勃和凯克望远镜查看这颗行星。

2011年，行星科学十年调查建议美国宇航局考虑对这颗冰冷的星球进行考察。2017年，美国宇航局提出了一些潜在的未来天王星任务，以支持即将到来的行星科学十年调查，包括飞越，轨道飞行器，甚至是潜入天王星大气层的航天器。科学家们仍在讨论这个想法。2019年，美国宇航局戈达德太空飞行中心提出，一种可能的设计可能涉及一个大气探测器，类似于伽利略任务期间在木星使用的探测器。

2018年，一群雄心勃勃的早期职业科学家和工程师创建了一个理论上的完整任务设计，耗资10亿美元，并利用了将在21世纪30年代发生的行星排列。在相对较低的成本下，该任务将执行最少的科学任务，但仍可能包括磁力计、甲烷探测器和照相机等项目。