18世紀(jì)末期，一個(gè)英國(guó)音樂(lè)師喜歡上了磨制望遠(yuǎn)鏡,，并一發(fā)而不可收,。1781年3月的一天，他用自己磨制的望遠(yuǎn)鏡巡天觀察時(shí),，偶然發(fā)現(xiàn)了一顆星,。起初，他以為是一顆慧星,，后來(lái)根據(jù)它的運(yùn)動(dòng),，確定是顆行星。這個(gè)音樂(lè)師叫威廉-赫歇爾,，那顆行星叫天王星,。赫歇爾的發(fā)現(xiàn)使人類知道土星之外還有一個(gè)大行星。后來(lái)赫歇爾磨了數(shù)百架望遠(yuǎn)鏡,，改行做了天文學(xué)家,。上圖為“旅行者”2號(hào)于1986年1月25日距天王星1百萬(wàn)公里處拍攝的照片。
天王星是太陽(yáng)系大行星之一,，按離太陽(yáng)由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)榈谄哳w,。天王星的赤道半徑約2萬(wàn)5千多公里。體積約為地球的65倍,，在九大行星中僅次于木星和土星,。相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小,，每立方厘米只有1.24克,。因此，它雖然比海王星大,，質(zhì)量卻只有海王星質(zhì)量的85％,。在太陽(yáng)系九大行星中，它的質(zhì)量?jī)H次于木星,、土星和海王星,，占第四位,。天王星有21個(gè)衛(wèi)星，1977年,，還發(fā)現(xiàn)天王星有光環(huán),。

天王星與太陽(yáng)的平均距離約28億7千萬(wàn)公里，繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平均速度為每秒6.81公里,，公轉(zhuǎn)一周需84年,。估算它的自轉(zhuǎn)周期約為17.24小時(shí)。天王星的赤道面與軌道面的傾角為97度多,，也就是說(shuō)它的自轉(zhuǎn)軸幾乎倒在它的軌道平面上,。因此，它的四季,、晝夜同地球上的大不相同,。在一個(gè)半球的“夏”季，它的極點(diǎn)幾乎直對(duì)著太陽(yáng),，而另一個(gè)半球則完全處于黑暗的“冬”季之中,。這里所說(shuō)的“夏”季和“冬”季，僅僅是用來(lái)區(qū)別它受到陽(yáng)光照射,，還是背著陽(yáng)光,。天王星離太陽(yáng)很遠(yuǎn)，表面的有效溫度只有零下211℃,。所以,，即使在受到陽(yáng)光照射的“夏”季，也是十分寒冷的,。上述自轉(zhuǎn)軸這種奇特的傾倒是太陽(yáng)系起源學(xué)說(shuō)中一個(gè)難以解決的問(wèn)題,。

天王星與地球的傾角對(duì)比

大行星的傾角示意圖

天王星存在著濃密的大氣。在望遠(yuǎn)鏡中,，天王星是一個(gè)藍(lán)綠色的圓面。大氣層連續(xù)不斷地延伸到幾千公里高空,，最下層十分像是甲烷冰云,，而上層成分則主要為氫和氦。用放在高空氣球上的口徑為90厘米的望遠(yuǎn)鏡拍得的高分辨率照片表明,，天王星表面除了很強(qiáng)的,、對(duì)稱的臨邊昏暗現(xiàn)象以外，沒(méi)有其他形態(tài)特征,。這說(shuō)明天王星上到處都覆蓋著厚厚的云層,。科學(xué)家通過(guò)儀器觀測(cè),，確認(rèn)了氫和甲烷分子的存在,。根據(jù)理論推斷,，天王星上應(yīng)當(dāng)存在有大量的氨分子和水分子，估計(jì)那里也可能有相當(dāng)數(shù)量的氦和氖,，然而至今均未找到,。這可能有兩個(gè)原因：一是這些元素的吸收帶被很強(qiáng)的甲烷吸收帶掩蓋住了；二是天王星上很冷,，它們可能是“雪化”的氣體,，存在于大氣中較深的內(nèi)層，光譜無(wú)法探測(cè),。氫分子是天王星大氣的主要成分,。根據(jù)理論推測(cè)，天王星上的氫氣的質(zhì)量大約是地球上所有氣體的質(zhì)量的50倍,。與氫相比,，甲烷是少的。天王星大氣中存在著云層,，通過(guò)光譜,、光電、無(wú)線電測(cè)量對(duì)它的頂部云層進(jìn)行了一些研究,。初步認(rèn)為,，天王星具有一個(gè)溫度較高的同溫層和一個(gè)很冷的對(duì)流層頂。在對(duì)流層的下面,，可能有兩個(gè)云層：甲烷層和氨層,，基于對(duì)臨邊昏暗現(xiàn)象的觀測(cè)，證明后者的存在,，而甲烷云層則是稀薄的或者破碎的,。在這個(gè)寒冷的行星上，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它有內(nèi)部的熱源,，在大氣中也沒(méi)有熱的反向傳輸,，而這些在木星、土星等行星上都找到了,。天王星上的氣候變化可能比地球上小得多,。因?yàn)樘?yáng)離它很遠(yuǎn)，促使氣候變化的能量是非常小的,。旅行者二號(hào)發(fā)現(xiàn)天王昨表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾片云,，風(fēng)速每小時(shí)300公里。由于天王星大氣成份中的甲烷吸收紅光,，令天王星變成藍(lán)綠色,。因此，以可現(xiàn)光來(lái)看,，天王星的風(fēng)暴也是不易察覺(jué)的,。

至今尚未建立起一個(gè)良好的天王星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型,，足以完滿地解釋迄今所觀測(cè)到的事實(shí)：半徑、密度,、扁率等等,。有一種天王星結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為：天王星的核心由1/2～1個(gè)地球質(zhì)量的巖石物質(zhì)組成，其中的鐵化合物可能是磁場(chǎng)的基礎(chǔ),。這個(gè)核心的溫度大約是二三千度,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)天王星同木星一樣有射電爆發(fā)。產(chǎn)生射電爆發(fā)的機(jī)制,，可能和天王星有一個(gè)強(qiáng)磁層有關(guān),。行星體內(nèi)部存在一個(gè)實(shí)在的磁場(chǎng)，才能產(chǎn)生這個(gè)磁層,。這一觀測(cè)事實(shí)對(duì)認(rèn)為天王星內(nèi)存在著巖石和金屬鐵核心的模型是有利的,。在天王星的核心以外，是一個(gè)很厚的冰幔──主要是水冰和氨冰,。它一直伸展到2／3視半徑的地方,。冰幔的質(zhì)量或許占總質(zhì)量的50％左右。冰幔外面是分子氫層,，再向外就是很厚的大氣層,。大氣中的主要成分是氫和氦。大氣層雖然延伸很遠(yuǎn),，卻只有行星總質(zhì)量的20％,。天王星與巨行星──木星和土星不同，巨行星的主要成分是氫,占總質(zhì)量的80～90％左右,；天王星與類地行星也不同,，類地行星的大氣層的質(zhì)量是微乎其微的，而天王星的大氣層卻是很厚的,。有人認(rèn)為天王星是一個(gè)氣態(tài)行星,，大氣層由83%氫、15%氦及2%甲烷組成,。天王星的核心由巖石組成,，氨、水和甲烷的混合氣體包圍著核心,。因此,，天王星是我們所知,，最平滑的行星,。

天王星和海王星、冥王星在質(zhì)量,、密度,、大氣組成,、內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面都有相似之處,構(gòu)成了另一群行星── 遠(yuǎn)日行星。它們既不同于巨行星──木星和土星,，也不同于類地行星,。是什么樣的演化過(guò)程使得太陽(yáng)系中從內(nèi)到外形成了類地行星、類木行星以及介于類地行星和類木行星之間的遠(yuǎn)日行星,？這是太陽(yáng)系的起源和演化學(xué)說(shuō)必須回答的問(wèn)題,，因此，關(guān)于天王星等遠(yuǎn)日行星的研究對(duì)解決太陽(yáng)系的起源和演化問(wèn)題是十分重要的,。

1977年3月10日,，發(fā)生了天王星掩恒星的罕見(jiàn)天象。美國(guó)和中國(guó),、澳大利亞,、印度、南非都對(duì)這一天象進(jìn)行了觀測(cè),。結(jié)果意外地發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán),。這是繼1930年發(fā)現(xiàn)冥王星之后，太陽(yáng)系內(nèi)的又一重大發(fā)現(xiàn),。

天王星環(huán)非常暗弱,，即使在大型望遠(yuǎn)鏡中，也從未看到過(guò)和拍攝到過(guò),?？墒牵谶@次掩星觀測(cè)過(guò)程中,，當(dāng)天王星與恒星的星像相距甚微但尚未重合時(shí),，光電記錄儀上卻意外地記錄到次級(jí)掩?？茖W(xué)家們綜合分析了幾個(gè)天文臺(tái)的觀測(cè)資料,，肯定在天王星周圍存在著由細(xì)小的微粒組成的環(huán)帶。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了五個(gè)環(huán),。對(duì)觀測(cè)資料的進(jìn)一步分析,，以及隨后對(duì)另兩次天王星環(huán)掩星事件的觀測(cè)及1986年美國(guó)旅行者2號(hào)探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步確認(rèn),，天王星有11條環(huán),。這11條環(huán)寬窄、密度不一,，各窄環(huán)間還有一些寬的塵帶,。這些環(huán)中有3個(gè)是圓形的，其余是橢圓形,。所有這些環(huán)主要由直徑約1米的暗物質(zhì)團(tuán)塊組成,，其成分還不知道,。科學(xué)家推測(cè)它們是巖石碎片,、水冰以及某種黑色聚合物的混合體,。這就是它們呈炭黑色且反光率低的原因。在環(huán)帶之間的空隙充滿了改建亮的塵粒,。這些環(huán)的半徑從3萬(wàn)多公里到5萬(wàn)多公里不等,。環(huán)的寬度從一、二公里到2千多公里不等,，厚度100米左右,。離天王星中心越近的地方越狹窄。

下面看一組天王星圖片：

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡使用近紅外和分光技術(shù)得到的天王星圖像,。不同的顏色表明大氣中的成分及其活動(dòng),。這是假色圖像，人們用肉眼是看不到這種情況的,。

“旅行者”2號(hào)拍攝于1986年1月10日,。由于天王星大氣成份中的甲烷吸收紅光，令天王星變成藍(lán)綠色,。

“旅行者”2號(hào)距離236000公里拍攝的天王星環(huán)局部,。

“旅行者”2號(hào)于1986年1月21日發(fā)現(xiàn)了天王星的兩顆新衛(wèi)星，它們分別位于一條環(huán)的兩側(cè),?？茖W(xué)家們相信環(huán)是由一些碎塊物質(zhì)組成，所以形容這兩顆衛(wèi)星像牧羊犬,。

天王星內(nèi)部構(gòu)造示意圖

天王星的環(huán)

在天衛(wèi)五上看天王星（模擬）
天王星衛(wèi)星情況：

天王星至少有15顆衛(wèi)星,，有天文學(xué)家確定為21顆。其中天衛(wèi)一到天衛(wèi)五是五個(gè)主要的大衛(wèi)星,。天衛(wèi)三和天衛(wèi)四于1787年為威廉-赫歇耳所發(fā)現(xiàn),，天衛(wèi)一和天衛(wèi)二于1851年為拉塞爾所發(fā)現(xiàn)，而天衛(wèi)五直至1948年才為柯伊伯所發(fā)現(xiàn),。天衛(wèi)五,、天衛(wèi)一、天衛(wèi)二,、天衛(wèi)三和天衛(wèi)四同天王星中心的距離分別為130,000公里,、192,000公里、267,000公里,、438,000公里和586,000公里,。天衛(wèi)一、天衛(wèi)二、天衛(wèi)三,、天衛(wèi)四同內(nèi)側(cè)相鄰衛(wèi)星的距離比都在1.34～1.64之間，這表明它們同天王星的距離分布頗有規(guī)律性,。天王星的5顆衛(wèi)星都在接近圓形的軌道上繞天王星轉(zhuǎn)動(dòng),，軌道面和天王星赤道面的交角又很小，因此,它們都是規(guī)則衛(wèi)星,。5顆衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)方向與天王星本身的自轉(zhuǎn)方向相同,，但是，它們的軌道面與天王星的公轉(zhuǎn)軌道面的交角超過(guò)90°（約為98°）,，因此,，它們都是逆行衛(wèi)星。天衛(wèi)五,、天衛(wèi)一,、天衛(wèi)二、天衛(wèi)三和天衛(wèi)四繞天王星的公轉(zhuǎn)周期分別為1.414日,、2.520日,、4.144日、8.706日和 13.463日,。在太陽(yáng)系諸多衛(wèi)星中,天王星衛(wèi)星都是中等大小和中等質(zhì)量的,它們的直徑在300～1,000公里之間,。除了五個(gè)大衛(wèi)星外，天王星其他小衛(wèi)星都很小,，半徑均不超過(guò)100公里,，多數(shù)小于50公里，有的不足10公里,。

天衛(wèi)一距天王星中心190900公里,，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期均為2.52天。它的半徑為578.9公里,。平均密度1.665克/立方厘米,。主要成分為50%水冰，30%巖石,，20%碳,、氮化合物。旅行者2號(hào)拍攝的照片表明,，天衛(wèi)一表面交叉遍布懸崖和類似峽谷的地貌,。其中一些地方還部分地填布著可能是地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程所生產(chǎn)的物質(zhì)。證明表面曾有地質(zhì)活動(dòng),。還有幾處,，從深谷中散布冰態(tài)物質(zhì)，像地球上的冰川水流那樣穿過(guò)寬闊的平原。

天衛(wèi)二是五個(gè)大衛(wèi)星中最大的一個(gè),，距天王星266000公里,。半徑為584.7公里。平均密度1.400克/立方厘米,。自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期均為4.144天,。表面布滿隕石坑，環(huán)形坑的直徑大多為100至200公里,。成分主要是水冰,，混有凍甲烷的巖石。它是五大衛(wèi)星中最暗的一個(gè),，可能是其軌道附近的暗物質(zhì)所致,。北極附近的亮紋是其主要特征。



天衛(wèi)三距離天王星436300公里,，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期均為8.705天,。是五個(gè)大衛(wèi)星中第二大的。半徑為788.9公里,。平均密度1.715克/立方厘米,。主要成分是水冰，并有少量?jī)黾淄楹蛶r石,。它的表面上有許多明亮的隕擊坑,、長(zhǎng)的溝壑，還有一條長(zhǎng)達(dá)1600公里左右的深斷層,。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)以及其他一些與之有關(guān)的特征,，令人確信曾有構(gòu)造過(guò)程發(fā)生。

天衛(wèi)四是五個(gè)大衛(wèi)星中最靠外圍的一個(gè),。它距天五星的平均距離是583500公里,，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期均為13.46天。半徑761.4公里,。平均密度1.63克/立方厘米,。成分中有水冰及小量的凍結(jié)甲烷的巖石。照片顯示天衛(wèi)四表面遍布隕石坑,。在眾多的亮隕擊坑中,，有少數(shù)幾個(gè)被某種暗黑的溶巖物質(zhì)淹沒(méi)。







天衛(wèi)五是五個(gè)大衛(wèi)星中最靠近天王星也是最小的一顆,。它的軌道是橢圓形的,，與天王星的平均距離約為129900公里，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期均為1.413天,。半徑為235.8公里,。平均密度1.201克/立方厘米,。大部分由冰組成，其中或許含有冰凍甲烷和石態(tài)物質(zhì)的混合物,。旅行者2號(hào)拍攝的照片表明,，天衛(wèi)五表面上為蜿蜒峽谷，并排溝槽,、破缺山崖以及環(huán)形高地等地貌說(shuō)明,，在過(guò)去歷史上曾有過(guò)大規(guī)模的板塊活動(dòng)。也有科學(xué)家認(rèn)為天衛(wèi)五的半徑雖然只有235公里,，但它的表面卻如此復(fù)雜多變，有可能星體曾被擊碎,，然后再組合,。而一個(gè)有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證據(jù)。