天王星怎么看出它是躺着的 带你简单了解下

天王星怎么看出它是躺着的 带你简单了解下(1)

天王星,图源:wikipedia

当用地面望远镜观察时,天王星看起来像一个很小的蓝绿色圆盘。然而,天王星看起来小主要是因为它离地球太远了。它的直径约为51110公里,为地球的四倍,这使它成为太阳系体积第三大的行星(质量第四)。

天王星是太阳系中4个气态巨行星之一,这是一种几乎由流动的物质组成的大质量行星,它们没有固体表面。有的气态巨行星及其缺少固体成分,甚至连核心都缺少固体。有的气态巨行星则可能有一个固体内核,隐藏在厚厚的大气层之下。除天王星外,其他的气态巨行星是海王星,土星,和木星。天王星直径略大于海王星,但比木星或土星的一半还要小。

天王星的发现:威廉·赫歇尔

天王星怎么看出它是躺着的 带你简单了解下(2)

威廉·赫歇尔,图源:wikipedia

1781年,英国天文学家威廉·赫歇尔用自制的15厘米口径反射望远镜观测天空,他仔细地检查每个星星,想要寻找不同寻常的东西。三月的一天晚上,他找到了一个与其他星星不同的发光小圆盘。起初他认为这是一个彗星,但其他的天文学家很快意识到,他发现的是一个新的行星。有些人建议以赫歇尔的名字来命名这个行星,但天文学家并不同意,而是以古希腊天神乌拉诺斯的名字来命名它(天王星英语为Uranus,这也是古希腊天神乌拉诺斯的名字)。

天王星的自转和公转

天王星是从太阳系中心向外数的第七颗行星,距离太阳约29亿千米。它每84年绕太阳一圈,轨道是一个巨大的椭圆形。它到太阳的距离是土星的两倍远,是地球的19倍远。

它每17个小时自转一圈,它的自转轴倾角很独特,垂直于自转轴的平面(赤道面)与它的公转轨道面呈98度夹角。也就是说,它几乎是躺着运行的。在公转中,它的北极有一半的时间对着太阳,另一半时间则是南极对着太阳。

天王星怎么看出它是躺着的 带你简单了解下(3)

天王星的自转和公转,红色直线表示自转轴,与公转平面接近(赤道面与公转平面垂直),看起来像是躺着在轨道上滚动。 图源:Pearson Prentice Hall, Inc

科学家认为天王星自转轴倾角如此大可能是在形成的过程中(或刚形成之后)受到了一个大质量天体的影响。和其他行星一样,天王星是由很多小的碎片碰撞形成的。天文学家认为,在它形成的晚期,一颗特别大的碎片可能撞击了它,使它倾斜。

厚重的大气层

天王星是一个被雾霾包围的气态巨行星,这层雾霾非常厚,隐藏了雾霾之下的样貌细节,比如需要特殊探测器才能看到的云的分层。

天王星怎么看出它是躺着的 带你简单了解下(4)

哈勃太空望远镜. 图源:NASA

仅存的对于天王星结构的认知来源于旅行者2号探测器和哈勃太空望远镜。天王星大气层顶端是一层轻薄的气体,再向下,温度和气压逐渐升高。由于环境越来越极端,大气层逐渐过渡为一种超临界流体。这是一种不寻常的流体,结合了气体和液体的特征。在大气层的更深处,它的密度变得非常大,但不会变成纯粹的液体,而是保持介于气体和液体之间的特征,直到内核。天王星的内核是岩石,约为0.55倍地球质量,体积与地球相当。

成分和外观

天王星的流体物质绝大多数是氢和氦,以及少量的甲烷,也有水和氨。行星科学家认为氢和氦是以气体形式存在,其他成分则是以冰的形式存在。这不是说天王星是一个大部分物质被冰冻的行星,“冰”指的是天王星上与氢和氦相比沸点较高也较重的物质,这些物质以稠密的流体形式存在。事实上,科学家有时也称天王星为冰巨星而不是气态巨行星。

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天王星的结构,从内到外依次是内核(岩石),地幔(水,氨,和甲烷组成的“冰”),大气层(氢,氦,甲烷气体),以及外层大气. © NASA

人眼看起来,天王星的外观并没有什么特色。在雾霾层下面,风暴和云带才在不同纬度形成。这些特征从可见光上是看不出来的,只有在红外波段才能探测到。红外探测器可以区分温度较高的区域和温度较低的区域,然后将这些区域用不同的假色彩标记出来供人研究。从这些图像上,可以看到在天王星的其中一个极点上有云盖,同时也有不明显的类似雷暴的云形成。

天王星看上去是蓝色的,因为大气上层的甲烷吸收了红色和橙色的光,留下蓝色光在不同物质颗粒间散射。而这些物质与阳光和甲烷互相作用,形成一种光化学烟雾。

天王星大气层厚约8000千米,表面平均温度约为零下220摄氏度。在大气层之下,是一片奇怪的海洋,由水,甲烷,和氨构成。科学家不确定这片海洋是否含有真正的液体或者固态冰,但他们认为天王星的中心是一个跟地球差不多大的岩石内核。

天王星的环

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天王星环和卫星,白色实线和彩色表示13个环,分别为1986U2R/ζ、6、5、4、α、β、η、γ、δ、λ、ε、ν和μ。白色虚线表示卫星。图片来源:NASA

天王星最小的环的半径约为37000公里,最大的环的半径为97700公里。与土星又宽又亮的环不同,天王星的环又窄又暗,由成千上万小的冰和岩石碎片组成。对于这些碎片的黯淡,一个可能的解释是,它们被碳氢化合物覆盖了。天文学家认为这些碎片有可能来自于天王星的卫星,当它们被陨石撞击时,细小的碎片就飞了出来,然后形成了天王星环。

天王星的卫星

天王星有5个较大的卫星,分别是天卫一(Ariel),天卫二(Umbriel),天卫三(Titania),天卫四(Oberon),和天卫五(Miranda)。天卫三的直径约为1600千米,天卫四直径1530千米,天卫一和天卫二差不多大,前者直径1168千米,后者直径1175千米。天卫五是它们之中最小的,直径是470千米。

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天王星及其最大的6个卫星,从左到右分别是天王星,天卫十五,天卫五,天卫一,天卫二,天卫三,天卫四。 图源:Wikipedia

天王星还有很多较小的卫星,有些是由旅行者2号发现的,它们的直径没有超过162千米的,表面都较为黯淡。与天王星环一样,它们可能都被黯淡的碳氢化合物覆盖。其他卫星是用地面望远镜和哈勃太空望远镜发现的,截至2004年,共发现了27颗卫星,将来可能会发现更多。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. xeno- thetimenow

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