天王星
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天王星大致肉眼可見的長相
天王星是從太陽系由内向外的第七顆行星，其體積在太陽系中排名第三（比海王星大），質量排名第四（比海王星輕）。它的英文名稱Uranus來自古希臘神話中的天空之神優拉納斯（Οὐρανός），是克洛諾斯的父親，宙斯的祖父。与在古代就为人们所知的五顆行星（水星、金星、火星、木星、土星）相比，天王星的亮度也是肉眼可見的，但由於較為黯淡以及緩慢的繞行速度而未被古代的觀測者认定为一颗行星。[11]直到1781年3月13日，威廉·赫歇耳爵士宣布他發現了天王星，从而在太陽系的現代史上首度擴展了已知的界限。這也是第一顆使用望遠鏡發現的行星。
天王星和海王星的內部和大氣構成不同於更巨大的氣體巨星，木星和土星。同樣的，天文學家設立了不同的冰巨星分類來安置她們。天王星大氣的主要成分是氫和氦，還包含較高比例的由水、氨、甲烷等結成的「冰」，與可以探测到的碳氫化合物。天王星是太陽系內大气层最冷的行星，最低溫度只有49K（−224℃）。其外部的大气层具有複杂的雲層結構，水在最低的雲層內，而甲烷組成最高處的雲層。[9]相比较而言，天王星的内部则是由冰和岩石所构成。[8]
如同其他的巨行星，天王星也有環系統、磁層和許多衛星。天王星的環系統在行星中非常獨特，因為它的自轉軸斜向一邊，幾乎就躺在公轉太陽的軌道平面上，因而南極和北極也躺在其他行星的赤道位置上。[12]從地球看，天王星的環像是環繞著標靶的圓環，它的衛星則像環繞著鐘的指針 (雖然在2007年與2008年該環看來近乎水平)。在1986年，來自太空探测器航海家2號的影像资料顯示天王星實際上是一顆平平無奇的行星，在其可見光的影像中沒有出现像在其他巨行星所擁有的雲彩或風暴。[12]然而，近年內，隨著天王星接近晝夜平分點，地球上的觀測者发现天王星有季節變化的迹象和漸增的天氣活動。天王星上的風速可以達到每秒250公尺。[13]
在西方文化中，天王星是太陽系中唯一行星以希臘神祇命名的，其他行星都依照羅馬神祇命名。
[编辑] 發現
天王星在被發現是行星之前，已經被觀測了很多次，但都把它當作恆星看待。最早的紀錄可以追溯至1690年，約翰·弗蘭斯蒂德在星表中將他編為金牛座34，並且至少觀測了6次。法國天文學家皮埃尔·勒莫尼耶（Pierre Lemonnier）在1750至1769年也至少觀測了12次，[14]包括一次連續四夜的觀測。
威廉·赫歇爾在1781年3月13日於他位於索美塞特巴恩鎮新國王街19號自宅的庭院中觀察到這顆行星（現在是赫協爾天文博物館），[15]但在1781年4月26日最早的報告中他稱之為彗星。.[16]赫歇爾用他自己設計的望遠鏡“對這顆恆星做了一系列視差的觀察”[17]。
他在他的學報上的紀錄著：“在與金牛座ζ成90°的位置……有一個星雲樣的星或者是一顆彗星”。[18]在3月17日，他註記著：“我找到一顆彗星或星雲狀的星，並且由他的位置變化發現是一顆彗星”。[19]當赫歇爾將發現提交給皇家學會時，他繼續假設他發現了一顆彗星，然而卻含蓄的把它跟行星比較：
當我首次看到這顆彗星時，就我所有的光學放大率是227。從經驗中我知道，恆星直徑不會隨光學倍率成比例放大，如行星那樣；因此我現在將倍率設成460與932，結果發現彗星直徑隨光學倍率成比例放大，如同它應該在它不是顆恆星的推測下，而恆星直徑我比較過的不會以相同比率增加。更進一步說，被光學放大的彗星已遠超過其光度所允許，它看來在強大倍率下朦朧且不清楚，而根據我幾千次觀測我知道[在這情況下]這些恆星會保留其光澤與清晰。結果顯示我所臆測的有充足根據，這證明是我們最近觀察的彗星。
赫歇爾將他的發現通知皇家天文學家奈威·馬斯基林（Nevil Maskelyne）,並在4月23日收到馬斯基林語無倫次的回覆說：“我不知該如何稱呼她，他在接近圓形的軌道上移動很像一顆行星，而彗星是在很扁的橢圓軌道上移動。我也沒有看見彗髮或彗尾。”[21]
當赫歇爾繼續謹慎的以彗星描述他的新對象，其他的天文學家已經開始做不同的懷疑。俄国天文學家Anders Johan Lexell估計他至太陽的距離是地球至太陽的18倍，而沒有彗星曾在近日點四倍於地球至太陽距離之外被觀測到。[22]柏林天文學家約翰·波得描述赫歇爾的發現像是“在土星軌道之外的圓形軌道上移動的恆星，可以被視為迄今仍未知的像行星的天體”。[23]波得斷定這個以圓軌道運行的天體比彗星更像是一顆行星。[24]
這個天體很快便被接受是一顆行星。在1783年，法国科学家拉普拉斯证实赫歇爾发现的是一颗行星。赫歇爾本人也向皇家天文學會的主席約翰·班克斯承認這個事實：“經由歐洲最傑出的天文學家觀察，顯示這顆新的星星，我很荣耀地在1781年3月指認出的，是太陽系內主要的行星之一。”[25]为此，威廉·赫歇爾被英国皇家学会授予柯普莱勋章。喬治三世依據他的成就，並在他移居至溫莎王室，讓皇室的家族有機會使用他的望遠鏡觀星的前提下，給予赫歇爾每年200英鎊的年薪。[26]
[编辑] 命名
馬斯基林曾這樣的問赫歇爾：“幫天文學世界一個忙”[27]，“為您的行星取個名字，這也完全是為了您所愛的，並且也是我們迫切期望您為您的發現所做的。”[28]回應馬基斯林的請求，赫歇爾決定命名為“喬治之星”（Georgium Sidus）或“喬治三世”以紀念他的新贊助人喬治三世。[29]他在給約瑟夫·班克斯的信中解釋這個決定：[25]
威廉·赫歇爾，天王星的發現者
在古老的神話蠻荒世紀，我們賦予行星名稱墨丘利、維納斯、瑪爾斯、朱庇特、與薩圖爾以表彰當時最具份量的的英雄及神祇。在身處現今更為理性開化的紀元，我們將很難如法刨制將新發現的天體稱為朱諾、帕拉絲、阿波羅或彌涅耳瓦。如果任何未來世紀的天文學家問我：當這個剛剛找到的行星發現時，照您的年表有沒有任何特別顯著的事件首先列入考慮表揚？我將會很滿意的回答：『在喬治三世[四海昇平]的統治下』。
赫歇爾建議的名稱在英國外並不受歡迎，並且替代案很快就被提出。天文學家杰羅姆·拉朗德(Jérôme Lalande)建議將這顆行星稱為“赫歇爾”以尊崇她的發現者。[30]但是，波得贊成用希臘神話的優拉納斯（Uranus），譯成拉丁文的意思是“天空之神”。波得的論點是農神（土星的英文命名由来）是宙斯（木星的英文命名由来）的父親，新的行星則應該取名為農神的父親。[26][31][32]波得的建議被使用的十分普遍，並當最後的壁壘HM航海曆於1850年換下“喬治三世”後，Uranus便成為普遍接受的名字。[31]
天文學家間偏好的 Uranus 發音是 /ˈjʊərənəs/ （幫助·關於），強調第一音節 (ūrŭnŭs)；[33]這是標準英文文學上的發音，相比之下大眾口語發音 /jʊˈreɪnəs/ （幫助·關於），強調第二音節而且還有個「長音a」 (ūrānŭs)。[34]
在英文的行星名称里，天王星的名稱是唯一取自希臘神話而非羅馬神話的，Uranus的形容詞（Uranian）被鈾的發現者馬丁·克拉被罗斯(Martin Klaproth)用來命名在1789年新發現的元素。[35]
天王星的天文學符號是，它是火星和太陽符號的綜合，因為天王星是希臘神話的天空之神，被認為是由太陽和火星聯合的力量所控制的。[36]天王星在占星學上的符號，是拉朗德在1784年建議的。在給赫歇爾的一封信中，拉朗德描述它是“un globe surmonté par la première lettre de votre nom”（圆球的上方放置着您名字的首字母）[30]由于Uranus是希腊神话中的天神，在汉字文化圈（中国、日本、韓國和越南）中，人们就将这个星名译做“天王星”。[37][38]
軌道和自轉
哈柏太空望遠鏡的天王星影像，可以看見雲帶、環和一些衛星。
天王星每84個地球年環繞太陽公轉一週，與太陽的平均距離大約30億公里，行星上陽光的強度只有地球的1/400。[39]它的軌道参数在1783年首度被拉普拉斯計算出來，[22]但隨著時間，預測和觀測的位置開始出現誤差。在1841年约翰·柯西·亚当斯首先提出誤差也許可以歸結於一顆尚未被看見的行星的引力作用的结果。在1845年，勒维耶開始獨立地進行天王星軌道的研究；1846年9月23日，迦雷在勒维耶預測位置的附近發現了一顆新行星，稍後被命名為海王星。[40]
天王星內部的自轉週期是17小時又14分，但和所有巨行星一樣，其上部的大氣層朝自轉的方向可以产生非常強的風。實際上，在有些緯度，像是從赤道到南極的2/3路徑上，可以看見移動得非常迅速的大氣，靠近南極地區的風速高達720公里/小時，只要14個小時就能完整的环绕行星一週。[41]
[编辑] 轉軸傾斜
天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達97.77°，這使它的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像傾倒滚动的球。當天王星在至點附近時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42年的极昼，而在另外42年則处于极夜。[42]在接近分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似。在2007年12月7日，天王星經過了晝夜平分點。 [43]
這種軸的指向帶來的一個結果是，在一年之中，天王星的極區得到來自於太陽的能量多於赤道，不過，天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機制仍然未知；天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道，但是通常的猜想是在太陽系形成的時候，一顆地球大小的原行星撞擊到天王星，造成的指向的歪斜。[44]在1986年，航海家2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對著太陽。標記這個極是南極是基於國際天文聯合會的定義：行星或衛星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉的方向來決定）。[45][46]但是，仍然有不同的協定被使用著：一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。[47]根據後者的座標系，1986年在陽光下的極則是北極。
[编辑] 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，[10]它的角直徑在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。[10]在衝的時候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。[6]使用物鏡的口徑在15至25公分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公分或更大的，雲的型態和一些大的衛星，像是天衛三和天衛四，都有可能看見。[48]
[编辑] 物理性质
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%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同，其性質比較接近木星與土星的地核部份，而沒有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。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現洋藍色，這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。
內部結構
地球和天王星大小的比較。
天王星的質量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質量最小的，它的密度是1.29公克/公分³ 只比土星高一些。[7]直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質量較低。[4]這些數值顯示它主要由各種各樣揮發性物質，例如水、氨和甲烷組成。[8]天王星內部冰的總含量還无法精確的知道，根據選擇模型的不同而有不同的结果，但是總是在地球質量的9.3至13.5倍之間。[8][49]氫和氦在全體中只佔很小的部份，大約在0.5至1.5地球質量。[8]剩餘的質量（0.5至3.7地球質量）才是岩石物質。[8]
天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是岩石的核，中間是冰的地函，最外面是氫/氦組成的外殼。[8][50]相較之下核非常的小，只有0.55地球質量，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，質量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對不明確，大約佔有剩餘20%的半徑，但質量大約只有地球的0.5倍。[8][50]天王星核的密度大約是9公克/公分³，在核和地函交界處的壓力是8百萬巴和大約5,000K的溫度。[49][50]冰的地函實際上並不是由一般意义上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。[8][50]這些流體有高導電性，有時被稱為水-氨的海洋。[51]天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分超越氣體，因此有理由將它們分開另成一類為冰巨星。
上面所考慮的模型或多或少都是標準的，但不是唯一的，其他的模型也能滿足觀測的結果。例如，如果大量的氫和岩石混合在地函中，則冰的總量就會減少，並且相對的岩石和氫的總量就會提高；目前可利用的數據還不足以讓人们確認哪一種模型才是正確的。[49]天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。[8]但是，為便於扁球體的轉動，在大氣壓力達到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時，它的赤道和極的半徑分別是25,559±4和24,973±20公里。 [4]這樣的表面將做為這篇文章中高度的零點。
[编辑]內熱
天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，它是低熱流量。[52][13]目前仍不了解天王星內部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；[13]相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外（也就是熱輻射）的部份釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。[53][9]事實上，天王星的熱流量只有0.042±0.047瓦/
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