天王星是一颗非常明亮的行星，肉眼几乎无法看到它。正因为如此，直到望远镜发明之后，它才被承认为行星，并于1781年首次被威廉·赫歇尔确认为行星。

天王星是太阳系中最不寻常的行星之一。天王星自转轴的倾角为98度，虽然也有其他行星的自转轴有一定程度的倾斜，但天王星是唯一几乎侧向旋转的行星。

让我们仔细看看太阳系最奇怪的行星的奥秘。

用望远镜发现的第一颗行星

天王星是第一颗使用望远镜发现的行星。

在地球以外的行星中，水星、金星、火星、木星和土星早已为人所知。这些行星在夜空中闪闪发光，肉眼很容易看到。

天王星的亮度约为六等，因此肉眼几乎看不见。天王星这样一颗黑暗的行星是如何被发现的？

天王星是由英国业余天文学家威廉·赫歇尔于 1781 年发现的。

赫歇尔正在尝试使用自制的反射望远镜进行“天空狩猎观测”，以阐明银河系的结构。天空狩猎是对整个天空中星星分布的详细观察。

那时，我发现了一个与普通恒星行为不同的天体。这颗恒星相对于其他恒星的移动非常轻微。

赫歇尔最初认为这颗恒星是一颗彗星。它看起来可能像一个模糊、苍白的图像。

随后的计算表明，赫歇尔发现的新天体是一颗每84年绕近圆形轨道运行的行星。

当时的知识是土星是最遥远的行星，因此发现土星之外的行星是一个巨大的惊喜。

天王星是太阳系第三大行星，直径是地球的四倍。然而，由于它距离太阳28.75亿公里（约为太阳与地球距离的19倍），地面望远镜无法看到那么大。

太阳系中行星的大小比较/图片来源：NASA/Lunar And Planetary Institute

天王星和木星、土星一样，都是一颗气体行星，含有大量的氢和氦，因此被归类为木星型行星。另一方面，由于它有一个巨大的冰核，内部含有岩石，因此它与海王星一起被归类为冰巨行星。

当你通过望远镜观察天王星时，它呈现出淡蓝绿色。这是因为天王星大气中的甲烷吸收了红色。

天王星的大气层主要由氢和氦组成，但也含有少量的甲烷（CH4）。 甲烷具有强烈吸收可见光，特别是红光的特性。

当甲烷吸收红光时，剩余的蓝绿光被反射，使天王星呈现淡蓝绿色的外观。

同样，海王星的表面呈现蓝色，因为其大气中的甲烷吸收红光。另一方面，木星和土星也含有甲烷，但它们大气的主要成分是氢和氦，而且由于甲烷的比例较低，氨等其他化合物的比例较高，所以它们呈现棕色或黄色。

有趣的是，天王星的颜色在其轨道周期（约 84 年）内逐渐变化。天王星在夏至和冬至期间往往更加绿色，在春分和秋分期间更加蓝色。

这种颜色变化与天王星的自转轴几乎与其轨道平面水平有关。由于旋转轴的倾斜，极地地区和赤道附近接收到的阳光量差异很大，这被认为会影响大气对流和云状况。

这样，天王星的淡蓝绿色是由大气中的甲烷造成的，但它的色调随着天王星的轨道周期而发生微妙的变化。

翻转的星球

天王星最显着的特征是它绕其轴旋转。

天王星的自转轴与轨道平面倾斜约 98 度，使其几乎侧向。因此，它看起来就像是在侧向滚动。

天王星 /图片来源：NASA/JPL/STScI

太阳以水平位置绕行一周大约需要84年，每42年就有一次昼夜循环。在天王星的南北两极，夏季和冬季各持续四十多年。

为什么天王星的自转轴会转向侧面？

这似乎从一开始就不是这样的。据推测，当天王星最初形成为行星时，它的自转轴几乎垂直于其轨道平面，就像其他行星一样。

一个主要的理论认为，天王星倾斜的原因是一颗大恒星在天王星形成早期与它相撞。据信，碰撞物体因撞击而被摧毁，部分物体变成了天王星的卫星和光环。

根据2011年发表的最新模拟结果推测，这并不是之前认为的一次天体碰撞，而是两次同类天体碰撞。

天王星有许多卫星沿着行星的赤道平面运行。如果天王星的自转轴突然倾斜，卫星不会受到影响，并会继续以相同的方式从北极移动到南极。在这种情况下，卫星不应位于赤道平面上。

但如果不是一次巨大的撞击导致天王星轴倾斜呢？如果这是一个更加渐进的过程，由两次相当小的冲击引起，那么卫星的配置会更接近目前的形式。

顺便说一句，地球自转轴也倾斜了23.4度。这种倾斜被认为是火星大小的物体与地球碰撞的结果，一个主要的理论是月球是由于这次碰撞而形成的。

有趣的是，天王星的磁场轴（磁轴）与自转轴倾斜60度，并且不穿过行星中心。航海家二号接近天王星时的观测揭示了这一点。相反，磁轴更接近垂直于轨道。

下图显示了天王星的磁场。黄色箭头指向太阳。浅蓝色箭头表示天王星的磁轴，深蓝色箭头表示天王星的旋转轴。

图片来源：NASA/科学可视化工作室/Tom Bridgman

天王星的磁场被认为是由行星内部导电流体的对流运动产生的。 然而，详细的机制很大程度上尚不清楚，也不清楚为什么磁轴与旋转轴偏离如此之大。

众所周知，太阳磁场每11年翻转一次，这与其活跃周期相同。

类木行星磁场的产生机制也与太阳非常相似，因此有一种理论认为，类木行星的磁场可能会像太阳一样发生反转。根据这个想法，天王星的磁场现在可能正在经历逆转。

天王星是一颗“巨大的冰行星”，含有冰冻的水、甲烷和氨。

然而，尽管表面结冰，但内部却处于极高的温度和压力的环境中，推测水处于金属状态。

水变成金属意味着什么？

当我们想到金属时，首先想到的是铁、铜和铝等材料。那么这些金属有什么共同特性呢？

许多人可能会想到诸如良好的电导体或具有良好反射光的闪亮表面等特性。

事实上，易导电和反光的性质都与原子的键合方式有关，具有这些性质的处于键合状态的物质称为金属。

金属债券的示例来源 　：JackFromReedsburg，CC0，来自 Wikimedia Commons

换句话说，当水处于金属状态时，意味着水已被压缩成原子键合状态，表现出与金属相同的特性（导电和反射光）。

顺便说一句，纯水在常温常压下不导电。 （水之所以给人一种导电性好的印象，是因为水中含有杂质。）

它对光也是透明的。然而，冈山大学和大阪大学的研究小组证实，在超高压下，水会变成强烈反射光的状态。这被证明具有金属独有的特性。

这样，天王星内部的高压将水变成金属状态，人们认为流过它的电流是天王星强磁场的原因。

下着钻石雨

天王星内部具有极高的压力，这可能会导致由甲烷制成的钻石雨。

天王星被称为“冰冷的行星”，但它的内部实际上是一片含有氢和碳的高密度液体“海洋”。

这种液体的温度高达数千摄氏度，承受的压力是地球大气层数百万倍。这个压力大约是地核压力的四倍。

据信，在这些极端条件下，氢和碳被压缩成金刚石。换句话说，有一种假设认为天王星内部正在“下雨”钻石。在海洋中形成的钻石很重，因此它们会沉到中心。这种情况被形容为“钻石雨”。

为了证明这一假设，研究人员进行了一项实验，利用无 X 射线电子激光器重建天王星内部的环境。

在这个实验中，通过用高功率激光照射一种叫做聚苯乙烯的塑料材料来重建天王星内部的环境。聚苯乙烯是一种由碳和氢连接成链的物质（碳氢化合物）。人们认为甲烷在天王星内部的高温高压下会形成这样的链状碳氢化合物。

聚苯乙烯的结构 图片来源：Leyo，公共领域，来自 Wikimedia Commons

激光冲击波可以瞬间产生超高压。

结果证实，塑料材料中的碳原子相互结合的方式发生了变化，形成了金刚石晶体结构。

金刚石晶体结构图片来源  ：德语维基百科的 Anton，CC BY-SA 3.0，来自 Wikimedia Commons

换句话说，人们认为，由甲烷（氢和碳的化合物）制成的钻石实际上很可能是在天王星内部极高的温度和压力下掉落的。

天王星也有光环

天王星环

天王星环是1977年在观察恒星被天王星隐藏的现象时偶然发现的。

环的存在之所以被揭示，是因为这颗恒星在被天王星遮蔽之前和之后以几乎相同的方式变暗。对这一现象的观察发现有五个环。随后航海者二号和哈勃太空望远镜的观测显示天王星有13个光环。

天王星环 图片来源：NASA/JPL

天王星环的特征

天王星的环比木星和土星的环要暗得多，质量也小得多。人们认为，环是黑色的，因为组成环的颗粒被黑色碳质物质覆盖。

此外，虽然环之间的距离约为1000公里或更长，但环的宽度却极其狭窄，最大的环只有20至100公里。在这些环中，天王星最外层的ε环非常薄。

然而，由于这些环是由小到沙粒的颗粒组成的，例如冰和岩石碎片，因此预计当它们在很长一段时间内反复碰撞时，环的宽度会自然扩大。因此，为什么它们仍然如此瘦弱，对于研究人员来说一直是一个非常神秘的问题。

1986 年航行者 2 号宇宙飞船的观测揭开了这个谜团。

在厄普西隆环的外部和内部发现了两颗几乎相同大小的卫星。这两个卫星以莎士比亚小说中的人物命名为科迪莉亚和奥菲莉亚，利用重力来保持它们之间环的形状不变。

这种卫星被称为“牧羊人卫星” ，因为它像一只牧羊犬，守护着羊群，确保它们不离开羊群。

细细的环是由这些小卫星精巧控制而成的。

类似的现象也出现在土星的 F 环中，它的两侧是两颗牧羊卫星：潘多拉和普罗米修斯。可能还有许多其他小卫星发挥着与这些牧羊人卫星类似的作用。

尽管关于环的起源还有很多未知数，但人们认为天王星的卫星可能是环的材料来源。

这样，天王星就有多个薄而暗的光环，小卫星被认为参与了维持其形状的作用。未来航天器的直接观测有望揭示更多细节。

天王星的卫星

截至2024年2月，天王星已确认有28颗卫星。

天王星的卫星可分为三组：13颗内卫星、5颗主要大卫星和10颗不规则卫星。

内卫星

所有内卫星都与天王星环密切相关。

天王星的环很可能由一颗或多颗小内卫星的碎片组成。最里面的两颗卫星，科迪莉亚和奥菲莉亚，是厄普西隆环的牧羊卫星。

我们推测小卫星 Mab 向最外面的 μ 环提供材料。

主要大型卫星

天王星的主要卫星 图片来源：NASA/JPL-Caltech

主要的大型卫星有五颗：ArielUmbrielTitania（天王星最大的卫星，直径 1,578 公里）OberonMiranda

这五颗主要卫星的轨道几乎垂直于天王星的轨道平面，因为天王星的旋转轴几乎在其一侧。

不规则卫星

内行星和五颗主要卫星的轨道接近圆形，几乎位于同一平面上。

另一方面，具有细长椭圆形或倾斜轨道的卫星，或者沿与天王星自转方向相反的方向旋转的卫星，被称为不规则卫星。这些卫星被认为是在远离天王星的地方形成的，并被天王星的引力捕获并成为卫星。

这些卫星以莎士比亚和亚历山大·教皇作品中的人物命名。

人们认为这些卫星的成分主要是冰和岩石的混合物，但天王星卫星的总质量很独特，它很小，仅为天王星质量的 0.01%。 其原因之一被认为是天王星形成过程中与一个巨大天体发生了碰撞，卫星是由当时形成的圆盘形成的。

天王星探索计划

航天器唯一一次造访天王星是在 1986 年，当时旅行者 2 号探测器接近天王星。我们对这个奇怪的星球知之甚少。

飞行中的航行者概念图 图片来源：NASA/JPL

然而，这种情况可能会改变。

NASA 新的十年计划《起源、世界和生命》提出将探索天王星作为首要任务。

拟议的任务被称为“天王星轨道探测器”，将由两个探测器组成：一个将进入天王星大气层，另一个将放置在天王星周围的轨道上。

研究天王星内部结构、磁场、大气成分和环的计划正在进行中。

另一个重要目标是28颗卫星的观测和研究。特别是，五颗已被确定拥有海洋的卫星成为攻击目标：Miranda、Ariel、Oberon、Titania 和 Umbriel。

天王星的探索一直是一个长期存在的问题，但已被列为当前10年计划的重中之重，预计将在2030年代实现。

木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二已知拥有液态海洋和生命的可能性，天王星也可能有这样的卫星。我期待着未来的探索任务。