天王星是太阳系中的第七颗行星，属于外行星。在土星的轨道之外，在非常罕见的情况下，肉眼几乎看不到天王星，因此您需要知道在哪里看。
因此，对于古人来说天王星几乎是隐形的，直到天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）于1781年用他自己建造的望远镜发现了它。蓝绿色的小点并不正是天文学家想要的。Herschel想要的是检测由地球平移运动引起的恒星视差。
图1.天王星行星，质量是地球的14.5倍。资料来源：
为此，他需要找到一颗遥远的恒星（和附近的一颗恒星），并观察它们在两个不同地方的样子。但是在1781年的一个春夜里，赫歇尔发现了一个小地方，似乎比其他地方要亮一些。
简而言之，他和其他天文学家确信这是一颗新行星，赫歇尔因扩大已知宇宙的规模，增加行星的数量而迅速成名。
由于赫歇尔拒绝使用希腊或罗马神灵，而是取名为乔治·西度（Georgium Sidu）或“乔治之星”（Georgium Star），以纪念当时的英国君主乔治三世（George Star），因此未立即获得新名称。
自然，这种选择并不符合欧洲大陆上的某些人的喜好，但是当德国天文学家约翰内斯·埃勒特·博德提出天王的天王星和地球母亲盖亚的丈夫天王星的名字时，这个问题就解决了。
根据古希腊和罗马神话，天王星是土星（克罗努斯）的父亲，而土星又是木星（宙斯）的父亲。直到1850年，科学界终于接受了这个名字，除了在英格兰，这个星球继续被称为“乔治的恒星”。
天王星的一般特征
天王星属于太阳系的外行星，是土星和木星之后的第三颗行星。它与海王星一起是冰巨人，因为它的成分和许多特征使其与其他两个巨人木星和土星区分开。
虽然木星和土星以氢和氦为主，但像天王星这样的冰巨人却含有更重的元素，例如氧，碳，氮和硫。
当然，天王星也有氢和氦，但是主要在大气中。它也包含冰，尽管并非全部由水制成：有氨，甲烷和其他化合物。
但是无论如何，天王星的大气层是太阳系中最冷的大气层之一。那里的温度可以达到-224ºC。
尽管图像显示了一个遥远而神秘的蓝盘，但还有许多惊人的功能。其中之一就是蓝色，这是由于大气中的甲烷吸收了红色的光并反射了蓝色。
天王星从大气中的甲烷气体中看起来是蓝色的，它吸收红光并反射蓝光。
此外，天王星还具有：
-自身磁场不对称排列。
-无数的卫星。
-比土星更脆弱的环系。
但绝对最引人注目的是在完全倾斜的旋转轴上逆行旋转，以至于天王星的两极位于其他赤道所在的位置，就好像它在向侧面旋转一样。
图2.天王星旋转轴的倾斜度。资料来源：NASA。
顺便说一下，与图1所示相反，天王星不是一个和平或单调的星球。航海家，获得图像的探测器，恰好在罕见的温和天气期间通过。
下图显示了所有行星之间的整体比较，天王星轴的倾斜度为98º。在天王星上，两极从远处的太阳而不是赤道接收最多的热量。
图3.太阳系行星的旋转轴。资料来源：NASA。
行星主要物理特征的摘要
-质量： 8.69 x 10 25公斤。
-无线电： 2.5362 x 10 4 km
-形状：展平。
-到太阳的平均距离： 2.87 x 10 9公里
- 轨道倾角：相对于黄道平面0.77º。
-温度：大约在-220至-205.2ºC之间。
-重力： 8.69 m / s 2
-自身磁场：是。
-大气：是的，氢和氦
-密度： 1290公斤/米3
-卫星： 27个，迄今为止的名称。
-环：是的，到目前为止发现了约13个。
翻译运动
天王星像大型行星一样，绕着太阳雄伟地旋转，大约需要84年才能完成一个轨道。
图4.天王星绕太阳运行的轨道（红色）资料来源：维基共享资源。原始模拟= Todd K.Timberlake的Easy Java Simulation的作者= Francisco Esquembre / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）
天王星的轨道是椭圆形的，最初与牛顿数学家皮埃尔·德·拉普拉斯（Pierre de Laplace）根据牛顿和开普勒定律计算出的轨道有些偏差。
不久之后的1841年，英国天文学家约翰·库奇·亚当斯（John Couch Adams）非常正确地建议，这些差异可能是由于另一个仍然看不见的行星所引起的干扰所致。
1846年，法国数学家Urbain Le Verrier改进了对未知行星可能轨道的计算，并将其交给了柏林的德国天文学家Johann Gottfried Galle。海王星立即首次出现在他的望远镜中，在法国科学家指示的位置。
图5.左边是威廉·赫歇尔爵士（Sir William Herschel，1738-1822年），右边是Urbain Le Verrier（1811-1877年）。资料来源：维基共享资源。
何时以及如何观察天王星
天王星离地球太远了，用肉眼很难看到它。当它最亮时，其大小几乎为6，直径为4弧秒（最佳观察时，木星约为47º）。
在非常晴朗的黑暗天空下，没有人造光，并且事先知道要看什么，您可以用肉眼看到它。
但是，天文学爱好者可以借助互联网上的天文图和仪器（甚至可以是高质量的双筒望远镜）找到它。它仍然看起来像没有很多细节的蓝点。
图6.在望远镜和天文图的帮助下，天王星可以看作是一个小蓝点。资料来源：Pexels。
要查看天王星的5个主要卫星，确实需要使用大型望远镜。可以使用至少200 mm的望远镜观察到行星的细节。较小的乐器只能显示一个很小的蓝绿色光盘，但是值得一看的是，它知道在如此遥远的地方隐藏着许多奇观。
天王星环
1977年，天王星在一颗恒星前经过并藏起来。在这段时间里，这颗星星在隐藏之前和之后都闪烁了几次。闪烁是由环的经过引起的，这样，三位天文学家发现天王星在赤道平面上有一个由9个环组成的系统。
所有外行星都有一个环系，尽管没有哪个能超越土星环的美丽，但天王星的环还是很有趣的。
Voyager 2探测器发现了更多的环并获得了出色的图像。在2005年，哈勃太空望远镜还发现了另外2个外环。
组成天王星环的物质是深色的，可能是碳含量高的岩石，只有最外层的环富含灰尘。
天王星的守护卫星使圆环保持形状，其重力作用决定了圆环的形状。它们也很薄，所以吃草它们的卫星是很小的卫星。
至少从天文时代的角度来看，环形系统是相当脆弱且不是非常耐用的结构。
组成环的粒子不断碰撞，与天王星大气的摩擦使它们破碎，而且持续不断的太阳辐射使它们恶化。
因此，环的持久性取决于到达它们的新物质，这是由于小行星和彗星的撞击使卫星破碎而造成的。与土星环一样，天文学家认为它们是近来的，它们的起源恰恰是在这些碰撞中。
图7.天王星的圈与牧羊卫星之间有着非常密切的关系，这在带有圈系统的行星上很常见。资料来源：维基共享资源。特拉西夫/公共领域。
旋转运动
在天王星的所有特征中，这是最令人惊奇的，因为这颗行星具有逆行自转。也就是说，它以与其他行星（金星除外）相反的方向快速旋转，仅需花费17个小时以上即可完成一圈。这样的速度与天王星在轨道上运动的速度形成对比。
此外，旋转轴是如此倾斜，以至于行星看起来像是在旋转，如图2中的动画所示。行星科学家认为，巨大的冲击将行星的旋转轴移到了当前位置。
图8.天王星轴的逆行旋转和倾斜是由于数百万年前发生的巨大撞击造成的。资料来源：NASA。
天王星的季节
由于这种独特的倾向，天王星的季节确实非常极端，并引起很大的气候变化。
例如，在冬至期间，其中一个极点直接指向太阳，而另一个则指向太空。一个有照明的一侧的旅行者会观察到21年之内，太阳既不升起也不落下，而相反的极则陷入了黑暗。
相反，在春分点，太阳位于行星的赤道上方，然后全天升起并落下，持续约17个小时。
得益于旅行者2号探测器，众所周知，天王星的南半球目前正朝着冬季前进，而北部正朝着即将于2028年发生的夏季迈进。
图9.假设旅行者看到的天王星的季节性变化。资料来源：种子，M。太阳系。
由于天王星绕太阳公转需要84年的时间，并且距离地球太远，所以人们知道，行星的许多气候变化仍然未知。大部分可用数据来自上述1986年旅行者号飞行任务以及通过哈勃太空望远镜进行的观测。
组成
天王星不是天然气巨人，而是冰巨人。在专门研究这些特性的部分中，可以看到，天王星的密度虽然比诸如地球之类的岩石行星要低，但比土星要大，而土星则可以在水上漂浮。
实际上，木星和土星的大部分是液态而不是气态，但天王星和海王星含有大量的冰，不仅是水，而且还有其他化合物。
而且由于天王星的质量较小，因此在木星内部不会产生引起液态氢形成的压力，这正是木星和土星的特征。当氢处于这种状态时，它的行为就像金属，会引起这两个行星的强磁场。
天王星也有自己的磁场，如图12所示。虽然奇怪的是，磁力线没有像地球一样穿过其中心，但似乎起源于另一点。
因此，在天王星的大气层中存在分子氢和氦气，其中甲烷的百分比很小，这是其蓝色的原因，因为该化合物吸收了红色的波长。
这样的行星体是由冰组成的，不仅是水，而且还有氨和甲烷。
现在是时候强调一个重要的细节了：当行星科学家谈到“冰”时，他们并不是在指我们放入饮料中的冷冻水来冷却它们。
冷冻的巨型行星的“冰”处于很大的压力和高温下，至少几千度，因此，除了成分外，它与冰箱中存储的东西没有任何共同之处。
天王星上的钻石
可以用甲烷生产钻石吗？在德国的Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf实验室进行的实验室研究表明，只要有足够的压力和温度条件就可以。
而且这些条件存在于天王星内部，因此计算机模拟显示甲烷CH 4分解形成其他化合物。
甲烷分子中存在的碳沉淀并转化为金刚石。当它们移向行星内部时，晶体会通过摩擦释放热量并积聚在行星核上（请参阅下一节）。
据估计，这样形成的钻石可以达到200千克，尽管至少在不久的将来不太可能确认这一点。
内部结构
在下面显示的图表中，我们有天王星及其各层的结构，上一小节简要提到了它们的组成：
-上层大气。
-中间层富含分子氢和氦，大气总厚度约为7500公里。
-冰基地幔（我们已经知道它不像地球上的普通冰），厚度为10,500公里。
-由铁，镍和硅酸盐制成的岩心，半径为7500公里。
核心中的“岩石”物质也不像地球上的岩石，因为在行星的心脏，压力和温度对于这些“岩石”而言太高，无法与我们所知道的相似，但至少是化学成分它应该没有什么不同。
图10.天王星的内部结构。资料来源：维基共享资源。
天王星的天然卫星
天王星迄今拥有27颗指定卫星，以威廉·莎士比亚和亚历山大·波普的作品中的人物命名，这要归功于行星发现者威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔。
通过望远镜观察发现有5个主卫星，但没有一个有大气层，尽管已知它们有冰冻的水。它们的体积都很小，因为它们的总质量没有达到特里顿的一半，特里顿是海王星的双星之一，海王星是天王星的双子。
其中最大的是二氧化钛，其直径为月球直径的46％，其次是奥伯龙。这两颗卫星都是1787年由威廉·赫歇尔本人发现的。19世纪中叶，业余天文学家威廉·拉塞尔（William Lassell）发现了Ariel和Umbriel，他还建造了自己的望远镜。
米兰达（Miranda）是天王星的第五大卫星，月球直径只有14％，是20世纪杰拉德·库珀（Gerard Kuiper）发现的。顺便说一句，以这个杰出的天文学家的名字，柯伊伯带也受了太阳系的限制。
图11.天王星的5个主要卫星，行星本身以及小冰球。从左至右，蓝色的天王星，帕克，米兰达，爱丽儿，雨伞，最大的泰坦尼亚和奥伯龙。资料来源：维基共享资源。
由于潜在的影响和异常的地质活动，米兰达的表面极为崎。
其他卫星较小，可以从旅行者2号和哈勃太空望远镜得知。这些卫星很暗，可能是由于无数次撞击使表面上的物质汽化并集中在其上。也由于它们经受的强辐射。
其中一些名称以及它们维护环网系统的动作如图7所示。
天王星卫星的运动受潮汐力的控制，地月系统也是如此。这样，卫星的旋转和平移周期是相同的，并且它们始终对行星显示相同的面孔。
磁场
根据旅行者2号探测器的磁力分析，天王星的磁场强度约为地球强度的75％，由于行星内部不满足产生金属氢的必要条件，因此科学家认为，还有另一种导电流体生成字段。
下图表示木星行星的磁场。所有磁场在某种程度上类似于由中心的条形磁铁或磁偶极子产生的磁场，也类似于地球的磁场。
但是在天王星中，天王星的偶极子不在中心，海王星也不在偶极子，而是向南极移动，并且相对于旋转轴明显倾斜。
图12.木星行星的磁场示意图。天王星的视场偏离中心，轴与旋转轴成锐角。资料来源：Seeds，M.太阳系。
如果天王星产生磁场，则由于流动的流体必定会产生发电机效应。专家认为，这是一个溶解有甲烷和氨气的水体，非常深。
由于天王星内部的压力和温度，这种流体将是良好的电导体。这种质量以及行星的快速旋转和对流传热是能够产生磁场的因素。
天王星任务
天王星离地球极远，所以最初的探索只是通过望远镜。幸运的是，旅行者号探测器已经足够近地收集了直到最近才发现的有关这颗行星的宝贵信息。
有人认为，为研究土星而发起的卡西尼号飞行任务可能到达天王星，但当燃料耗尽时，负责该任务的人使其在2017年消失在土星内。
该探测器包含的放射性元素，如果撞入土星卫星之一的土卫六（Titan）中，可能会污染这个可能拥有某种原始生命的世界。
哈勃太空望远镜还提供重要信息，并揭示了2005年新环的存在。
在旅行者号飞行任务之后，提出了一些无法执行的任务，因为对火星的探索甚至对木星的探索都被认为是世界各地航天机构的优先事项。
航海家
该任务包括发射两个探测器：旅行者1号和旅行者2号。原则上，它们只会到达木星和土星，但在探访了这些行星之后，探测器仍继续向冰冷的行星前进。
旅行者2号于1986年到达天王星，到目前为止，我们获得的许多数据都来自该探测器。
通过这种方式，获得了有关大气成分和层结构的信息，发现了额外的环，研究了天王星的主要卫星，发现了另外10个卫星，并测量了行星的磁场。
他还发送了许多高质量的图像，包括行星及其月球表面，充满了撞击坑。
然后，探测器朝海王星前进，最后进入星际空间。
参考文献
- N + 1。天王星和海王星上降下200公斤钻石。从以下位置恢复：nmas1.org。
- 鲍威尔，M。《夜空中的裸眼行星》（以及如何识别它们）。从以下网站恢复：nudeeyeplanets.com。
- 种子，M.2011年，《太阳系》。第七版。圣智学习。
- 维基百科。行星环。摘自：es.wikipedia.org。
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- 维基百科。天王星的探索。摘自：en.wikipedia.org。
- 维基百科。天王星（行星）。摘自：es.wikipedia.org。