天王星是一個奇怪的環(huán)狀行星。(Image credit: SCIEPRO via Getty Images)
（神秘的星需行星地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（By Charles Q. Choi）：天王星是離太陽第七遠(yuǎn)的行星，也是知道最冷太陽系第三大行星。
雖然天王星是關(guān)的切肉眼可見的，但由于這顆行星的于太陽系昏暗和緩慢的軌道，它長期被誤認(rèn)為是天王一顆恒星。這顆行星也因其戲劇性的星需行星傾斜而聞名，這使得它的知道最冷軸幾乎直接指向太陽。
1781年3月13日，關(guān)的切英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾用他的于太陽系望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，當(dāng)時他正在觀測所有比肉眼可見的天王暗10倍的恒星。一顆恒星看起來不同，星需行星不到一年，知道最冷赫歇爾意識到這顆恒星遵循行星軌道。關(guān)的切
天王星(大約在1850年后通常這樣稱呼)是于太陽系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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(xiāng)德國漢諾威之外并不受歡迎。
德國天文學(xué)家約翰·波德詳細(xì)描述了天王星的軌道，并給了這顆行星最終的名字。伯德認(rèn)為，由于土星是木星的父親，這顆新行星應(yīng)該以土星的父親命名。
物理性質(zhì)
天王星是藍綠色的，這是其主要由氫氦構(gòu)成的大氣中含有甲烷的結(jié)果。這顆行星通常被稱為冰巨人，因為它至少80%的質(zhì)量是水、甲烷和氨冰的液體混合物。
與太陽系的其他行星不同，天王星傾斜得如此之遠(yuǎn)，以至于它基本上是以其側(cè)面繞太陽運行，其旋轉(zhuǎn)軸幾乎指向這顆恒星。這種不尋常的方向可能是由于在它形成后不久與一個行星大小的天體或幾個小天體發(fā)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(dǎo)致了持續(xù)約20年的極端季節(jié)。這意味著將近四分之一的天王星年，相當(dāng)于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(jīng)歷漫長、黑暗和寒冷的冬天。
天王星擁有太陽系所有行星中最冷的大氣層，盡管它離太陽不是最遠(yuǎn)的。這是因為天王星幾乎沒有內(nèi)部熱量來補充來自太陽的熱量。
大多數(shù)行星的磁極通常或多或少與它的旋轉(zhuǎn)軸對齊，但天王星的磁場是傾斜的，其磁軸與行星的旋轉(zhuǎn)軸傾斜近60度。這導(dǎo)致天王星奇怪的不平衡磁場，北半球表面的磁場強度是南半球表面磁場強度的10倍以上。2017年的一項研究表明，天王星磁場的不平衡性質(zhì)也可能導(dǎo)致它在每次旋轉(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)由水、氨和甲烷冰組成，核心是鐵和鎂的硅酸鹽。根據(jù)美國宇航局的數(shù)據(jù)，天王星與太陽的平均距離約為18億英里(29億公里)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)、行星演化和太陽系物理學(xué)的行星科學(xué)家——詢問了一些關(guān)于天王星的常見問題。
拉維特·赫勒德行星科學(xué)家
Ravit Helland是蘇黎世大學(xué)理論天體物理學(xué)和宇宙學(xué)中心計算科學(xué)研究所的教授，他專門研究行星形成、行星內(nèi)部、行星演化和太陽系物理學(xué)。
天王星是什么類型的行星？
天王星被認(rèn)為是一個“冰巨人”,盡管這個名字有點誤導(dǎo)。它是一種不同類型的行星，不同于土星和木星等氣態(tài)巨行星，也不同于地球或火星等類地行星。它和海王星是我們太陽系中一個獨特群體的一部分。
它也是我們所說的中等質(zhì)量行星，因為它比質(zhì)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(tài)巨行星要小得多，它們的質(zhì)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。
是什么讓天王星成為太陽系中最冷的行星？
天王星是唯一一顆真正與太陽處于熱平衡的行星，關(guān)于為什么它的表面看起來很冷有兩種選擇。首先，它實際上可能是天王星內(nèi)部很熱，但這種熱量被截留了。這意味著它不能冷卻，所以它里面很熱，外面很冷。
或者，它可能只是設(shè)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，我們并不真正知道它為什么冷，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，并獲得更好的和補充數(shù)據(jù)。我們認(rèn)為它是由重元素組成的，這在天體物理學(xué)中意味著比氦重的元素。天王星預(yù)計會有許多“冰”，可能是水、氨和甲烷，但也有一些巖石和氫氦。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(tài)大氣中。
雖然木星和土星的成分由氫和氦控制，而類地行星的成分由更重的元素控制，但天王星介于兩者之間。
但是這些重元素是什么，我們不知道。它被認(rèn)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(zhì)可能處于液體/流體狀態(tài)。天王星也可能有像巖石一樣的硅酸鹽，我們不知道行星內(nèi)部冰和硅酸鹽之間的比例是多少。
為什么天王星和海王星有時被稱為“雙胞胎”？
這些冰巨人在質(zhì)量和大小上非常相似，并且碰巧是太陽系中最遠(yuǎn)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(wèi)星系統(tǒng)都不同；天王星有小的規(guī)則衛(wèi)星，總共有27顆已知衛(wèi)星，而海王星的衛(wèi)星Triton要大得多，可能是一顆被捕獲的衛(wèi)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后相對相似，直到發(fā)生了導(dǎo)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(dǎo)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于更好地描述這種行星類型也是至關(guān)重要的。
在銀河系的其他地方，類似天王星的世界有多普遍？
根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，中等質(zhì)量的行星似乎是最常見的行星之一，如果不是最常見的話，其中一些系外行星是所謂的超級地球，并不像天王星。
還有一點需要注意的是，我們今天觀察到的系外行星僅限于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(yuǎn)。
為什么太空科學(xué)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么組成的，確定它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并了解它是如何形成的。它是在我們今天看到的地方形成的，還是在太陽系更遠(yuǎn)的地方形成并向外遷移，還是在更遠(yuǎn)的地方形成并向內(nèi)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(guān)聯(lián)。這是一個未經(jīng)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(guān)注了。
天王星里面有什么？
我們太陽系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(cè)傾斜的程度如此之大，以至于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，天王星有厚厚的云層。它的藍綠色是其大氣中甲烷的結(jié)果。
天王星的氣候
天王星經(jīng)歷的極端軸向傾斜會導(dǎo)致不尋常的天氣。根據(jù)美國宇航局的說法，當(dāng)陽光多年來第一次到達一些地區(qū)時，它加熱了大氣，引發(fā)了巨大的春季風(fēng)暴。
然而，當(dāng)旅行者2號于1986年在其南部盛夏拍攝天王星時，該航天器看到了一個只有大約10朵可見云的平淡無奇的球體，導(dǎo)致它被稱為“最無聊的行星”，天文學(xué)家海蒂·哈默爾在“天王星和海王星的冰巨人系統(tǒng)”中寫道，這是“太陽系更新”(斯普林格，2007年)的一章，這是太陽系科學(xué)評論的匯編。幾十年后，當(dāng)哈勃等先進的望遠(yuǎn)鏡開始發(fā)揮作用，天王星的漫長季節(jié)發(fā)生變化時，科學(xué)家們才目睹了天王星上的極端天氣。
2014年，天文學(xué)家第一次瞥見了天王星上肆虐的夏季風(fēng)暴。奇怪的是，這些巨大的風(fēng)暴發(fā)生在地球最接近太陽的七年后，為什么巨大的風(fēng)暴發(fā)生在太陽對地球的加熱達到最大值之后仍然是一個謎。
天王星上其他不尋常的天氣包括鉆石雨，鉆石雨被認(rèn)為會沉入天王星和海王星等冰冷的巨行星表面下數(shù)千英里。碳和氫被認(rèn)為在這些行星大氣層深處的極端高溫和壓力下壓縮形成鉆石，然后被認(rèn)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(huán)嗎？
天王星環(huán)是繼土星環(huán)之后第一個被看到的。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，因為它幫助天文學(xué)家理解了光環(huán)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(huán)。內(nèi)部的光環(huán)系統(tǒng)主要由窄而暗的光環(huán)組成，而由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的兩個更遠(yuǎn)的光環(huán)組成的外部系統(tǒng)顏色明亮:一個紅色，一個藍色。科學(xué)家們已經(jīng)確定了天王星周圍的13個已知光環(huán)。
2016年的一項研究表明，天王星、土星和海王星的光環(huán)可能是很久以前過于靠近巨型世界的類冥王星矮行星的殘余。這些矮行星在行星的巨大引力下被撕裂，今天被保存為環(huán)狀。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡每年都觀測天王星。(Image credit: ESA/Hubble & NASA, L. Lamy / Observatoire de Paris)
天王星有衛(wèi)星嗎？
天王星有27顆已知的衛(wèi)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(xué)中的魔法精靈命名的，如威廉·莎士比亞的《仲夏夜之夢》和亞歷山大·蒲柏的《鎖的強奸》。從那以后，天文學(xué)家延續(xù)了這一傳統(tǒng)，從莎士比亞或蒲柏的作品中為衛(wèi)星命名。
奧伯龍和二氧化鈦是最大的天王星衛(wèi)星，是赫歇爾在1787年首先發(fā)現(xiàn)的。威廉·拉塞爾也是第一個看到衛(wèi)星繞海王星旋轉(zhuǎn)的人，他發(fā)現(xiàn)了天王星的下兩個衛(wèi)星，Ariel和Umbriel。將近一個世紀(jì)過去了，著名的荷蘭裔美國天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯在1948年發(fā)現(xiàn)了米蘭達。
1986年，旅行者2號訪問了天王星系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了另外10顆衛(wèi)星，直徑都只有16到96英里(26到154公里):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(wèi)星中的每一個都大致一半是水冰，一半是巖石。
自那以后，天文學(xué)家利用哈勃和地面天文臺將總數(shù)提高到了27個已知的衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)這些衛(wèi)星是很棘手的——它們的直徑只有8到10英里(12到16公里)，比瀝青還要黑，距離近30億英里(48億公里)。
在Cordelia，Ophelia和Miranda之間是一群八顆小衛(wèi)星，它們緊緊地擠在一起，天文學(xué)家還不明白這些小衛(wèi)星是如何避免相互碰撞的。天王星環(huán)的異常導(dǎo)致科學(xué)家們懷疑可能還有更多的衛(wèi)星。
除了衛(wèi)星，天王星可能還有一系列特洛伊小行星——與行星共享相同軌道的物體——位于一個稱為拉格朗日點的特殊區(qū)域。第一顆是在2013年發(fā)現(xiàn)的，盡管有人聲稱這顆行星的拉格朗日點太不穩(wěn)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(wèi)星。衛(wèi)星，從最大到最小，因為他們出現(xiàn)在這里，是阿里爾，米蘭達，泰坦尼婭，奧伯龍和翁布里爾。 (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(xué)家會定期使用哈勃和凱克望遠(yuǎn)鏡查看這顆行星。
2011年，行星科學(xué)十年調(diào)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(wù)，以支持即將到來的行星科學(xué)十年調(diào)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(xué)家們?nèi)栽谟懻撨@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(shè)計可能涉及一個大氣探測器，類似于伽利略任務(wù)期間在木星使用的探測器。
2018年，一群雄心勃勃的早期職業(yè)科學(xué)家和工程師創(chuàng)建了一個理論上的完整任務(wù)設(shè)計，耗資10億美元，并利用了將在21世紀(jì)30年代發(fā)生的行星排列。在相對較低的成本下，該任務(wù)將執(zhí)行最少的科學(xué)任務(wù)，但仍可能包括磁力計、甲烷探測器和照相機等項目。