星辰大海之旅（64）天王星（下）

八、外围组成

（一）行星环

天王星有一个暗淡的行星环系统，由直径约十米的黑暗粒状物组成。他是继土星环之后，在太阳系内发现的第二个环系统。已知天王星环有13个圆环。天王星的光环像木星的光环一样暗，又像土星的光环那样有相当大的直径。除此之外，天王星可能还存在着大量的窄环。

环的发现日期是1977年3月10日。这个发现是很意外的。旅行者2号在1986年飞掠过天王星时，直接看见了这些环。旅行者2号也发现了两圈新的光环，使环的数量增加到11圈。

在2005年12月，哈勃太空望远镜侦测到一对早先未曾发现的蓝色圆环，使天王星环的数量增加到13圈。哈柏同时也发现了两颗新的小卫星，其中的天卫二十六还与最外面的环共享轨道。在2006年4月，凯克天文台公布的新环影像中，

（二）卫星

已知天王星有27颗天然的卫星，名称都出自莎士比亚和蒲伯的歌剧中。五颗主要卫星的名称是米兰达（天卫五）、艾瑞尔（天卫一）、乌姆柏里厄尔（天卫二）、泰坦尼亚（天卫三）和欧贝隆（天卫四）。第一颗和第二颗（泰坦尼亚和欧贝隆）是威廉·赫歇耳1787年3月13日发现的，艾瑞尔和乌姆柏里厄尔是1851年被威廉·拉索尔发现的。在1852年，威廉·赫歇耳的儿子约翰·赫歇耳才为这四颗卫星命名。到了1948年杰勒德P. 库普尔发现第五颗卫星米兰达。

天王星卫星系统的质量是气体巨星中最少的，的确，五颗主要卫星的总质量还不到崔顿（海卫一）的一半。最大的卫星，天卫三泰坦尼亚，半径788.9 公里，还不到月球的一半，但是比土星第二大的卫星土卫五

在这些卫星中，天卫一艾瑞尔有着最年轻的表面，上面只有少许的陨石坑；天卫二乌姆柏里厄尔看起来是最老的。天卫五米兰达拥有深达20 公里的断层峡谷，梯田状的层次和混乱的变化，形成令人混淆的表面年龄和特征。

1986年1月，旅行者2号太空船飞越过天王星，在稍后研究照片时，发现了Perdita和10颗小卫星。后来使用地面的望远镜也证实了这些卫星的存在。

天卫一-天卫五

1、天卫一(艾瑞尔Ariel）

天卫一是环绕天王星运行的一颗卫星。主要成分为水冰，岩石，碳、氮化合物。天卫一的表面是由火山坑地形和连接互通的山谷组成；山谷有几百千米长，10000米深。这与天卫三上的情况十分相似，但规模大得多。一些火山坑已被掩没了一半。天卫一表面的历史相当短，一些地壳运动已在进行。在谷地中间有一些脊，被认为是冰的熔化造成的。

旅行者2号于1986年1月24日掠过天王星，当时最接近天卫一，距离为12，7000公里。天卫一的南极朝向太阳，所以只有拍摄到北半球的特征。天卫一是天王星的5颗大卫星之一。其表面温度约为-200摄氏度。该卫星组成部分有一半是冰(水冰与二氧化碳冰，可能也有甲烷冰)。其表面有裂谷，冰就是液态物质从内部沿裂缝上升后冻结而成的，因而天卫一的表面为平滑致密的冰所覆盖。

1988年9月，美国科学家宣布，他们分析“旅行者”2号1986年1月飞越天王星及其卫星时发回的照片后发现，天卫一的照片显示出火山流的证据。火山流的稠厚性和外观特征表明，它不是液体而是呈可塑状态的水冰。水冰从天卫一内部被推向表面的过程就是“冰火山活动”。在天卫一内部，由于热的作用使水冰软化，这些冰软得足以在天卫一表面移动。这些事实表明天卫一在地质上曾经是活动的。天卫一曾有过冰火山活动，对于地球上的人类而言，堪称奇景。

天卫一过去的地质活动被认为是受到潮汐加热的影响，当时它的轨道离心率比现在更大。早期天卫一似乎与天卫四产生4：1的轨道共振，但后来没有。共振增加了天卫一的轨道离心率，导致天王星对于天卫一的潮汐力并不稳定，也造成它内部的温度上升。

哈伯太空望远镜在2006年7月26日观测一次相当罕见的现象：当时天卫一从天王星的盘面穿过，并在天王星的云层顶端留下影子。在2007年12月的昼夜平分点，天卫一再度从天王星的盘面中心穿过。

天卫一大约有70%是由冰（水冰与二氧化碳冰，可能也有甲烷冰）所构成的，而30%则是硅酸盐。航海家二号观测到天卫一上最大及最古老的地质特征是靠近南极的火山平原。这个火山平原，大部分都比天卫三、天卫四与天卫二上所观测的年轻。航海家二号在天卫一上发现的最大坑洞（Yangoor）直径只有78公里，并显露出被破坏过的迹象。航海家二号也在南半球的中纬地区观测到断层、峡谷网络与冰流动的迹象，并破坏火山平原的地区的表面。

天卫一非常类似土星的卫星土卫四，它们的大小、密度与质量都相当类似，虽然天卫一在这些数据上都稍微超过土卫四。

天卫一

天卫一

2、天卫二

天卫二（乌姆柏里厄尔Umbriel)是天王星第三大卫星，已知卫星中距天王星第十三近。它由威廉·拉塞尔（William Lassell）于1851年发现。天卫二和天卫四很相似，但后者要比它大35%。天王星的大卫星都是由占40～50%的冰和岩石混合而成，它所含的岩石比土卫五之类所含的要多一些。天卫二存在剧烈起伏的火山口地形。天卫二非常暗，它反射的光大约是天王星最亮的卫星天卫一的一半.。它的表面布满陨石坑。尽管没有地质活动的迹象，却有着离奇的特征。它有一个明亮的陨石坑，宽约112公里，绰号"萤光杯"。坑表面深色部分可能是有机物质。

天卫二

天卫二

3、天卫三

天卫三(Titania泰坦妮亚）是环绕天王星运行的一颗卫星，跟天卫四差不多大小，也覆满了火山灰。这表明曾发生过火山活动。那儿有长达数千公里的风力强劲的大峡谷。天卫三直径约为1000公里，是天王星最大的卫星。它的表面也被一种黑色物质重新覆盖过，可能是甲烷或水冰。

到目前为止，泰坦妮亚唯一清楚的一张相片是来自旅行者2号太空船，是在1986年1月飞掠而过时拍摄的。当时这颗卫星南半球朝向太阳，因此观测不到北半球。泰坦妮亚被认为大致由50%的碎冰、30%的硅酸盐岩石和20%和甲烷相关的有机化合物组成。表面主要特征是巨大的峡谷，像是地球上大峡谷的缩影，其规模与火星上的水手号峡谷，或是土星的卫星泰塞斯的伊萨卡峡谷一样。

天卫三距离天王星43，6300千米，自转与公转周期均为8.705天，主要成分为水冰，有少量冻甲烷和岩石。天卫三的外表和天卫一很相似，但天卫一要比它小25%。天王星的大卫星都是由占40～50%的冰和岩石混合而成，它所含的岩石比土卫五之类所含的要多一些。

天卫三的表面是由火山口地形和相连长达数千米的山谷混合而成，一些火山口已被填没了一半。天卫三的表面尚为年轻，显然已经有了一些地壳变化。据推测：天卫三曾经由于温度过高而成为液态。它的表面首先冷凝，所以当它的内核冷凝时，内部的变化造成它的外壳开裂，也就造成我们所看到的山谷。

天卫三

天卫三

天卫三

天卫十一

4、天卫四（欧贝隆Oberon）是环绕天王星运行的最外层的一颗卫星，布满了陨石坑。陨石坑底有许多暗区，可能已经填满冰岩。

天卫四是距离天王星最远的大卫星，其体积和质量在天王星所有卫星中均位列次席，同时也是太阳系质量第九大的卫星。英国天文学家威廉·赫歇尔在1787年首次观测到该卫星。天卫四的名称奥伯龙来自于莎士比亚戏剧《仲夏夜之梦》当中的一个角色。天卫四的公转轨道有一部分位于天王星磁圈之外。

天卫四由近乎等量的冰体水和岩石构成，其内部可能分化出岩石内核和冰质地幔。此外，在内核和地幔之间可能还存在着一层液态水。天卫四的表面呈暗红色，其主要地形是小行星和彗星撞击后所形成的，并有许多直径达到210千米的撞击坑存在。天卫四表现存在峡谷（地堑）地形。

旅行者2号于1986年1月近距离飞掠该卫星，也是人类目前对天王星系统进行过唯一一次的近距离观测。旅行者2号拍摄了数张天卫四照片，涵盖该天体40%的表面。

天卫四的轨道距离天王星约58万4000公里，是天王星五颗大卫星距离最远的一颗。天卫四轨道的离心率和轨道倾角较小。公转周期和自转周期一致，均为13.5个地球日。也就是说，天卫四是一颗同步自转卫星，处于潮汐锁定状态——它永远以同一面朝向母星。天卫四轨道的很大一部分处于天王星磁圈之外，这使其表面直接遭受着太阳风的轰击。而当其运行至天王星磁圈内时，其逆轨道方向一面则遭受到磁圈等离子体的轰击。由于在公转时，天王星基本上都是以同一面面向太阳，而其卫星轨道都位于天王星的赤道面上，所以这些卫星（包括天卫四）都经历着极端的季节周期：其南半球和北半球都需经历为时42年的完全黑暗时期以及42年的连续日照期。每隔42年，当天王星运行至昼夜平分点且其赤道面切向地球方向时，就有可能出现天王星卫星之间的掩星现象。2007年5月4日即出现了天卫四掩藏天卫二的现象，共持续了约6分钟。

天卫四

天卫四

5、天卫五

天卫五(Miranda)是天王星的一颗卫星。它是天王星已知卫星中距其第十一近，也是天王星的大卫星中靠天王星最近的一颗。平均密度1.20 ± 0.15 g/cm³，直径473Km，表面温度59K(平均)，体积 54 835 000 km³，反照率0.32，视星等15.8，自转周期、公转周期均为1.413天，表面积700 000 km²。公转轨道:距天王星129850 千米，质量 6.59 ± 0.75 × 119 Kg(地球的1.103 × 10^–5)，赤道表面重力 0.079 m/s。

Miranda是莎士比亚的作品《暴风雨》中魔术师的一个女儿的名字，它是由Kuiper于1948年发现。1986年1月，旅行者2号飞船为了继续飞向海王星，不得不飞近天王星以获得推动力，由于整个飞行的方向几乎与黄道面成90度角，所以只与天卫五十分接近。在旅行者2号飞近之前，由于天卫五不是天王星的最大卫星，也没有什么特别之处，因此也不可能被选为主要研究对象，所以当时对于这颗卫星几乎是一无所知的。然而旅行者2号却证明了这是一颗非常有趣的卫星。

天卫五

天卫五

（1）物理性质

米兰达的表面也许主要是碎冰、低密度硅酸盐和有机化合物组成的岩石。米兰达表面残破有如补丁的地形，有巨大的峡谷交叉往来于表面，有冕状物的巨大沟槽结构。米兰达过去曾经历过潮汐加热。在早期的历史，米兰达曾经和乌伯瑞尔有3:1的轨道共振，之后才脱离。在接近2007年12月7日的分点，米兰达越过天王星的中心造成一次短暂的日食。科学家在米兰达上发现了下列的地质特征：撞击坑、冕状物 (大的卵圆形形状)、区域(地质学的领域)、断崖(悬崖)、沟槽。

（2）地形

天卫5的地形异常复杂，雄伟壮丽。有众多的山脉和峡谷，以及并排沟槽、破缺山崖、环形高地等地貌。有高达6000米的悬崖峭壁，深达16千米、宽达20千米的峡谷，高达24千米的山峰。这些地貌说明，天卫5在过去曾有过大规模的板块运动。天卫5地表上有一个20公里深的古老沟谷和其它较年轻的地表连接在一起就是这种说法的证据。

天卫五

天卫五

天卫五

天卫五

天卫五

天卫五

天卫五

天卫五

6、天卫十一

天卫十一(Juliet)在已知天王星卫星中距天王星距离第六近，早期编号:SN1986 U2，是一颗小卫星，反射率低，光度较暗。1986年1月，旅行家2号宇宙飞船飞越过天王星，在稍后研究照片时，发现了Perdita和10颗小卫星。天卫十一就属于其中之一。轨道半径64360千米，其半径42千米，公转周期0.493066天。

九、近代事件

（一）科学研究

1、物理性质。

天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢(83%)，其次为氦(15%)。木星与土星大部分都是气态氢组成的，而在许多方面，天王星、海王星与木星、土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，但没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面。类木行星包围在外的巨大液态气体表面，主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核，它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。

2、可见性。

从1995至2006年，天王星的视星等在+5.6至+5.9等之间，勉强在肉眼可见的+6.0等之上，他的角直径在3.4至3.7 弧秒；比较土星是16至20弧秒，木星则是32至45弧秒。在冲的时候，天王星可以用肉眼在黑暗、无光污染的天空直接看见，即使在城市中也能轻易的使用双筒望远镜看见。使用物镜的口径在15至25 厘米的大型业余天文望远镜，天王星将呈现苍白的深蓝色盘状与明显的周边昏暗；口径25 厘米或更大的，云的型态和一些大的卫星，像是泰坦尼亚和欧贝隆，都有可能看见。

（二）天王星探测

1986年，NASA的旅行者2号拜访了天王星。这次的拜访是唯一的一次近距离的探测，并且也还没有新的探测计划。

旅行者2号在1977年发射，在继续前往海王星的旅程之前，于1986年1月24日最接近天王星，距离近达8，1500公里。旅行者2号研究了天王星大气层的结构和化学组成，发现了10颗新卫星，还研究了天王星因为自转轴倾斜97.77°所造成的独特气候

天王星的体积约为地球的4倍，其大气中包含83%的氢气，15%的氦气，2%的甲烷气体，表面温度平均为零下215℃。2014年8月6日，美国航天航空局（NASA）和欧洲航空局（ESA）在夏威夷W.M.观测台，利用哈勃望远镜成功的观测并记录了一场最大规模的风暴。因为天王星具备气态行星的特质，所以经常爆发风暴。此前观测到的一次最大规模的风暴（Berg）发生在2000年，其引起的巨大影响，一直持续到2009年才消失殆尽。

（三）相关新闻

据英国《每日邮报》报道，科学家们在海王星和天王星研究方面取得了最新进展——海王星和天王星上或覆盖有大片液态钻石海，海面上还漂浮着类似于冰山的、体积庞大的固体钻石。

实验结果显示，在压力提高至零海拔1100万倍时，钻石变成液态；之后再把温度提高至5万摄氏度后，部分液态钻石会再次变成固体。但奇怪的是，这些固态钻石会漂浮在液态钻石之上，就像是“钻石冰山”一样。

科学家们认为，钻石海洋的说法解释了海王星和天王星磁极倾斜之谜，这两个星球的磁极偏离地理极60度左右。此外，这也解释了为什么海王星和天王星10%的表面成分为碳元素。

2019-3-9

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