星辰大海之旅（64）天王星（下）

八、外圍組成

（一）行星環

天王星有一個暗淡的行星環系統，由直徑約十米的黑暗粒狀物組成。他是繼土星環之後，在太陽系內發現的第二個環系統。已知天王星環有13個圓環。天王星的光環像木星的光環一樣暗，又像土星的光環那樣有相當大的直徑。除此之外，天王星可能還存在著大量的窄環。

環的發現日期是1977年3月10日。這個發現是很意外的。旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，直接看見了這些環。旅行者2號也發現了兩圈新的光環，使環的數量增加到11圈。

在2005年12月，哈勃太空望遠鏡偵測到一對早先未曾發現的藍色圓環，使天王星環的數量增加到13圈。哈柏同時也發現了兩顆新的小衛星，其中的天衛二十六還與最外面的環共享軌道。在2006年4月，凱克天文臺公佈的新環影像中，

（二）衛星

已知天王星有27顆天然的衛星，名稱都出自莎士比亞和蒲伯的歌劇中。五顆主要衛星的名稱是米蘭達（天衛五）、艾瑞爾（天衛一）、烏姆柏裡厄爾（天衛二）、泰坦尼亞（天衛三）和歐貝隆（天衛四）。第一顆和第二顆（泰坦尼亞和歐貝隆）是威廉·赫歇耳1787年3月13日發現的，艾瑞爾和烏姆柏裡厄爾是1851年被威廉·拉索爾發現的。在1852年，威廉·赫歇耳的兒子約翰·赫歇耳才為這四顆衛星命名。到了1948年傑勒德P. 庫普爾發現第五顆衛星米蘭達。

天王星衛星系統的質量是氣體巨星中最少的，的確，五顆主要衛星的總質量還不到崔頓（海衛一）的一半。最大的衛星，天衛三泰坦尼亞，半徑788.9 公里，還不到月球的一半，但是比土星第二大的衛星土衛五

在這些衛星中，天衛一艾瑞爾有著最年輕的表面，上面只有少許的隕石坑；天衛二烏姆柏裡厄爾看起來是最老的。天衛五米蘭達擁有深達20 公里的斷層峽谷，梯田狀的層次和混亂的變化，形成令人混淆的表面年齡和特徵。

1986年1月，旅行者2號太空船飛越過天王星，在稍後研究照片時，發現了Perdita和10顆小衛星。後來使用地面的望遠鏡也證實了這些衛星的存在。

天衛一-天衛五

1、天衛一(艾瑞爾Ariel）

天衛一是環繞天王星運行的一顆衛星。主要成分為水冰，岩石，碳、氮化合物。天衛一的表面是由火山坑地形和連接互通的山谷組成；山谷有幾百千米長，10000米深。這與天衛三上的情況十分相似，但規模大得多。一些火山坑已被掩沒了一半。天衛一表面的歷史相當短，一些地殼運動已在進行。在谷地中間有一些脊，被認為是冰的熔化造成的。

旅行者2號於1986年1月24日掠過天王星，當時最接近天衛一，距離為12，7000公里。天衛一的南極朝向太陽，所以只有拍攝到北半球的特徵。天衛一是天王星的5顆大衛星之一。其表面溫度約為-200攝氏度。該衛星組成部分有一半是冰(水冰與二氧化碳冰，可能也有甲烷冰)。其表面有裂谷，冰就是液態物質從內部沿裂縫上升後凍結而成的，因而天衛一的表面為平滑緻密的冰所覆蓋。

1988年9月，美國科學家宣佈，他們分析“旅行者”2號1986年1月飛越天王星及其衛星時發回的照片後發現，天衛一的照片顯示出火山流的證據。火山流的稠厚性和外觀特徵表明，它不是液體而是呈可塑狀態的水冰。水冰從天衛一內部被推向表面的過程就是“冰火山活動”。在天衛一內部，由於熱的作用使水冰軟化，這些冰軟得足以在天衛一表面移動。這些事實表明天衛一在地質上曾經是活動的。天衛一曾有過冰火山活動，對於地球上的人類而言，堪稱奇景。

天衛一過去的地質活動被認為是受到潮汐加熱的影響，當時它的軌道離心率比現在更大。早期天衛一似乎與天衛四產生4：1的軌道共振，但後來沒有。共振增加了天衛一的軌道離心率，導致天王星對於天衛一的潮汐力並不穩定，也造成它內部的溫度上升。

哈伯太空望遠鏡在2006年7月26日觀測一次相當罕見的現象：當時天衛一從天王星的盤面穿過，並在天王星的雲層頂端留下影子。在2007年12月的晝夜平分點，天衛一再度從天王星的盤面中心穿過。

天衛一大約有70%是由冰（水冰與二氧化碳冰，可能也有甲烷冰）所構成的，而30%則是硅酸鹽。航海家二號觀測到天衛一上最大及最古老的地質特徵是靠近南極的火山平原。這個火山平原，大部分都比天衛三、天衛四與天衛二上所觀測的年輕。航海家二號在天衛一上發現的最大坑洞（Yangoor）直徑只有78公里，並顯露出被破壞過的跡象。航海家二號也在南半球的中緯地區觀測到斷層、峽谷網絡與冰流動的跡象，並破壞火山平原的地區的表面。

天衛一非常類似土星的衛星土衛四，它們的大小、密度與質量都相當類似，雖然天衛一在這些數據上都稍微超過土衛四。

天衛一

天衛一

2、天衛二

天衛二（烏姆柏裡厄爾Umbriel)是天王星第三大衛星，已知衛星中距天王星第十三近。它由威廉·拉塞爾（William Lassell）於1851年發現。天衛二和天衛四很相似，但後者要比它大35%。天王星的大衛星都是由佔40～50%的冰和岩石混合而成，它所含的岩石比土衛五之類所含的要多一些。天衛二存在劇烈起伏的火山口地形。天衛二非常暗，它反射的光大約是天王星最亮的衛星天衛一的一半.。它的表面佈滿隕石坑。儘管沒有地質活動的跡象，卻有著離奇的特徵。它有一個明亮的隕石坑，寬約112公里，綽號"螢光杯"。坑表面深色部分可能是有機物質。

天衛二

天衛二

3、天衛三

天衛三(Titania泰坦妮亞）是環繞天王星運行的一顆衛星，跟天衛四差不多大小，也覆滿了火山灰。這表明曾發生過火山活動。那兒有長達數千公里的風力強勁的大峽谷。天衛三直徑約為1000公里，是天王星最大的衛星。它的表面也被一種黑色物質重新覆蓋過，可能是甲烷或水冰。

到目前為止，泰坦妮亞唯一清楚的一張相片是來自旅行者2號太空船，是在1986年1月飛掠而過時拍攝的。當時這顆衛星南半球朝向太陽，因此觀測不到北半球。泰坦妮亞被認為大致由50%的碎冰、30%的硅酸鹽岩石和20%和甲烷相關的有機化合物組成。表面主要特徵是巨大的峽谷，像是地球上大峽谷的縮影，其規模與火星上的水手號峽谷，或是土星的衛星泰塞斯的伊薩卡峽谷一樣。

天衛三距離天王星43，6300千米，自轉與公轉週期均為8.705天，主要成分為水冰，有少量凍甲烷和岩石。天衛三的外表和天衛一很相似，但天衛一要比它小25%。天王星的大衛星都是由佔40～50%的冰和岩石混合而成，它所含的岩石比土衛五之類所含的要多一些。

天衛三的表面是由火山口地形和相連長達數千米的山谷混合而成，一些火山口已被填沒了一半。天衛三的表面尚為年輕，顯然已經有了一些地殼變化。據推測：天衛三曾經由於溫度過高而成為液態。它的表面首先冷凝，所以當它的內核冷凝時，內部的變化造成它的外殼開裂，也就造成我們所看到的山谷。

天衛三

天衛三

天衛三

天衛十一

4、天衛四（歐貝隆Oberon）是環繞天王星運行的最外層的一顆衛星，佈滿了隕石坑。隕石坑底有許多暗區，可能已經填滿冰岩。

天衛四是距離天王星最遠的大衛星，其體積和質量在天王星所有衛星中均位列次席，同時也是太陽系質量第九大的衛星。英國天文學家威廉·赫歇爾在1787年首次觀測到該衛星。天衛四的名稱奧伯龍來自於莎士比亞戲劇《仲夏夜之夢》當中的一個角色。天衛四的公轉軌道有一部分位於天王星磁圈之外。

天衛四由近乎等量的冰體水和岩石構成，其內部可能分化出岩石內核和冰質地幔。此外，在內核和地幔之間可能還存在著一層液態水。天衛四的表面呈暗紅色，其主要地形是小行星和彗星撞擊後所形成的，並有許多直徑達到210千米的撞擊坑存在。天衛四表現存在峽谷（地塹）地形。

旅行者2號於1986年1月近距離飛掠該衛星，也是人類目前對天王星系統進行過唯一一次的近距離觀測。旅行者2號拍攝了數張天衛四照片，涵蓋該天體40%的表面。

天衛四的軌道距離天王星約58萬4000公里，是天王星五顆大衛星距離最遠的一顆。天衛四軌道的離心率和軌道傾角較小。公轉週期和自轉週期一致，均為13.5個地球日。也就是說，天衛四是一顆同步自轉衛星，處於潮汐鎖定狀態——它永遠以同一面朝向母星。天衛四軌道的很大一部分處於天王星磁圈之外，這使其表面直接遭受著太陽風的轟擊。而當其運行至天王星磁圈內時，其逆軌道方向一面則遭受到磁圈等離子體的轟擊。由於在公轉時，天王星基本上都是以同一面面向太陽，而其衛星軌道都位於天王星的赤道面上，所以這些衛星（包括天衛四）都經歷著極端的季節週期：其南半球和北半球都需經歷為時42年的完全黑暗時期以及42年的連續日照期。每隔42年，當天王星運行至晝夜平分點且其赤道面切向地球方向時，就有可能出現天王星衛星之間的掩星現象。2007年5月4日即出現了天衛四掩藏天衛二的現象，共持續了約6分鐘。

天衛四

天衛四

5、天衛五

天衛五(Miranda)是天王星的一顆衛星。它是天王星已知衛星中距其第十一近，也是天王星的大衛星中靠天王星最近的一顆。平均密度1.20 ± 0.15 g/cm³，直徑473Km，表面溫度59K(平均)，體積 54 835 000 km³，反照率0.32，視星等15.8，自轉週期、公轉週期均為1.413天，表面積700 000 km²。公轉軌道:距天王星129850 千米，質量 6.59 ± 0.75 × 119 Kg(地球的1.103 × 10^–5)，赤道表面重力 0.079 m/s。

Miranda是莎士比亞的作品《暴風雨》中魔術師的一個女兒的名字，它是由Kuiper於1948年發現。1986年1月，旅行者2號飛船為了繼續飛向海王星，不得不飛近天王星以獲得推動力，由於整個飛行的方向幾乎與黃道面成90度角，所以只與天衛五十分接近。在旅行者2號飛近之前，由於天衛五不是天王星的最大衛星，也沒有什麼特別之處，因此也不可能被選為主要研究對象，所以當時對於這顆衛星幾乎是一無所知的。然而旅行者2號卻證明了這是一顆非常有趣的衛星。

天衛五

天衛五

（1）物理性質

米蘭達的表面也許主要是碎冰、低密度硅酸鹽和有機化合物組成的岩石。米蘭達表面殘破有如補丁的地形，有巨大的峽谷交叉往來於表面，有冕狀物的巨大溝槽結構。米蘭達過去曾經歷過潮汐加熱。在早期的歷史，米蘭達曾經和烏伯瑞爾有3:1的軌道共振，之後才脫離。在接近2007年12月7日的分點，米蘭達越過天王星的中心造成一次短暫的日食。科學家在米蘭達上發現了下列的地質特徵：撞擊坑、冕狀物 (大的卵圓形形狀)、區域(地質學的領域)、斷崖(懸崖)、溝槽。

（2）地形

天衛5的地形異常複雜，雄偉壯麗。有眾多的山脈和峽谷，以及並排溝槽、破缺山崖、環形高地等地貌。有高達6000米的懸崖峭壁，深達16千米、寬達20千米的峽谷，高達24千米的山峰。這些地貌說明，天衛5在過去曾有過大規模的板塊運動。天衛5地表上有一個20公里深的古老溝谷和其它較年輕的地表連接在一起就是這種說法的證據。

天衛五

天衛五

天衛五

天衛五

天衛五

天衛五

天衛五

天衛五

6、天衛十一

天衛十一(Juliet)在已知天王星衛星中距天王星距離第六近，早期編號:SN1986 U2，是一顆小衛星，反射率低，光度較暗。1986年1月，旅行家2號宇宙飛船飛越過天王星，在稍後研究照片時，發現了Perdita和10顆小衛星。天衛十一就屬於其中之一。軌道半徑64360千米，其半徑42千米，公轉週期0.493066天。

九、近代事件

（一）科學研究

1、物理性質。

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成，其組成主要元素為氫(83%)，其次為氦(15%)。木星與土星大部分都是氣態氫組成的，而在許多方面，天王星、海王星與木星、土星不同，其性質比較接近木星與土星的地核部分，但沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面。類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面，主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成。天王星並沒有土星與木星那樣的岩石內核，它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分佈在整個地殼之內。

2、可見性。

從1995至2006年，天王星的視星等在+5.6至+5.9等之間，勉強在肉眼可見的+6.0等之上，他的角直徑在3.4至3.7 弧秒；比較土星是16至20弧秒，木星則是32至45弧秒。在衝的時候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光汙染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25 釐米的大型業餘天文望遠鏡，天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25 釐米或更大的，雲的型態和一些大的衛星，像是泰坦尼亞和歐貝隆，都有可能看見。

（二）天王星探測

1986年，NASA的旅行者2號拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測，並且也還沒有新的探測計劃。

旅行者2號在1977年發射，在繼續前往海王星的旅程之前，於1986年1月24日最接近天王星，距離近達8，1500公里。旅行者2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成，發現了10顆新衛星，還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候

天王星的體積約為地球的4倍，其大氣中包含83%的氫氣，15%的氦氣，2%的甲烷氣體，表面溫度平均為零下215℃。2014年8月6日，美國航天航空局（NASA）和歐洲航空局（ESA）在夏威夷W.M.觀測臺，利用哈勃望遠鏡成功的觀測並記錄了一場最大規模的風暴。因為天王星具備氣態行星的特質，所以經常爆發風暴。此前觀測到的一次最大規模的風暴（Berg）發生在2000年，其引起的巨大影響，一直持續到2009年才消失殆盡。

（三）相關新聞

據英國《每日郵報》報道，科學家們在海王星和天王星研究方面取得了最新進展——海王星和天王星上或覆蓋有大片液態鑽石海，海面上還漂浮著類似於冰山的、體積龐大的固體鑽石。

實驗結果顯示，在壓力提高至零海拔1100萬倍時，鑽石變成液態；之後再把溫度提高至5萬攝氏度後，部分液態鑽石會再次變成固體。但奇怪的是，這些固態鑽石會漂浮在液態鑽石之上，就像是“鑽石冰山”一樣。

科學家們認為，鑽石海洋的說法解釋了海王星和天王星磁極傾斜之謎，這兩個星球的磁極偏離地理極60度左右。此外，這也解釋了為什麼海王星和天王星10%的表面成分為碳元素。

2019-3-9

天王星圖片集：

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