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关于天王星,你的了解有多少?

来源:天文在线    2021-10-21  赞(10)  评论(0)

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(图解:天王星 © NASA)

从地球上用望远镜看去,天王星就像一只小巧的青绿色圆盘。它看上去很小,那是因为它离地球非常遥远。实际上,天王星的直径约为32,000英里(51,500公里),差不多是地球的4倍,是太阳系第三大的行星。

天王星是太阳系四大气体巨星之一。气体巨星就是主要由非固态物质构成的庞大行星,它们缺乏坚实的的表面,换言之,它们可能连核心都是非固态的,又或者它们的核心是固态的,只是包裹着厚厚的大气所以大家都看不见。另外三个气体巨星分别是海王星、土星和木星。天王星比海王星稍大,但它的直径还没有土星和木星的一半大。
 

发现天王星

(图解:威廉·赫歇尔 © 国家肖像美术馆,伦敦)

1781年,英国天文学家威廉·赫歇尔在用他自制的6英寸(15厘米)口径的反射望远镜观察夜空。他仔细地端详每一颗星星,试图找到一些不寻常的东西。三月里的一个夜晚,他发现一个小小的圆盘在夜空中闪烁,很明显不是像恒星那样的光点。一开始他以为那是一颗彗星,很快天文学家们就意识到赫歇尔发现的是一颗新的行星。有人提议把这颗新发现的行星命名为赫歇尔,但天文学家否决了这个提议,他们用古希腊天空之神乌拉诺斯的名字把它命名为天王星。
 

自转和公转

天王星距离太阳约18亿英里(29亿公里),是离太阳第七远的行星。它沿着巨大的椭圆形轨道围绕太阳公转,转一周需要84个地球年。运行在如此巨大轨道上的天王星与太阳的距离分别是土星和地球到太阳距离的两倍和19倍。

天王星大概每17小时自转一周。它的自转轴与轨道平面呈98度倾斜,这在太阳系是绝无仅有的,其结果就是天王星几乎是横躺着公转的。它公转过程中有一半的时间北极对着太阳,另一半时间则南极对着太阳。

(图解:天王星的自转和公转轨道 ©普伦蒂斯霍尔公司)

科学家认为,天王星在形成初期遭遇了巨大天体的撞击,这可能是造成它自转轴如此倾斜的原因。和太阳系其他的行星一样,来自被称为“星子”的小型天体的撞击使天王星变成现在的样子。天文学家推测这次撞击应该发生在天王星形成阶段的后期,一颗特别大的“星子”撞得它只能侧躺着运行了。
 

雾霾笼罩的天王星

天王星是一颗笼罩在雾霾里的气体巨星。这些雾霾如此浓厚,被它遮盖的所有细节都无法看清。为了探测雾霾下面的云层,我们必须用到一些特殊的仪器。

(图解:哈勃太空望远镜 © NASA)

关于天王星的具体结构,我们有限的知识来自旅行者2号探测器和哈勃太空望远镜。

天王星的最外层充斥着丝缕状的气体。在行星的深处,温度和压力通常会上升。随着位置不断深入情况变得越来越极端,大气逐渐从气态变成超临界流体。这是一种兼有气体和液体的特征的特殊流体。它的密度随着深度的增加而增加,但又不会凝结成具有明显液相的流体。它一直保持着这种奇特的介于气体和液体之间的特征,直到行星的核心。天王星的内核和地球差不多大,看起来似乎是由岩石构成的。
 

结构与外观

天王星流体状的大气主要由氢和氦构成,含有少量的甲烷气体,此外还有水和氨的痕迹。所有这些物质在行星上都是以超临界流体的状态存在的。不过也有行星学家认为天王星上的氢和氦是气态的,另外几种物质都呈冰晶状。因此,这些科学家有时会称天王星为冰巨星而不是气体巨星。

(图解:天王星的结构 © NASA)

他们的意思并不是说天王星主要由冰冻的物质构成。在这里“冰”是指沸点比氢和氦高的物质。

如果人类用肉眼观察,天王星几乎毫无特征。它在阴霾遮蔽下的风暴肆虐,以及各个纬度上的带状云,这些特征在可见光下都无法直接观测到,但它们在红外波段却显露无遗。红外仪器能分辨出较为温暖和较为寒冷的地区,并把它们在伪色图中标识出来。在这些伪色图里我们可以看到天王星一端的极地上空覆盖着云层,还可以隐约看到像是雷暴云的云层结构。

天王星的青绿色薄雾是由于外层大气含有甲烷。甲烷吸收了太阳光里的红光和橙光,剩下的蓝光被各种物质散射开来,整个星球就呈现出蓝绿色。而这些物质由于甲烷和阳光之间的相互作用形成光化学烟雾,看上去就朦胧一片了。

天王星最外层的雾霾和云层以下,直到约6000英里(10,000公里)深处是它的大气层,温度随高度的降低逐渐下降,底部的温度约为华氏零下355度(摄氏零下215度)。大气层之下是由水、甲烷和氨构成的奇特的流体海洋。科学家不确定这个流体海洋中是否存在真的液体或者固态的冰,但他们认为天王星的正中心应该有一个直径和地球相当的岩石内核。
 

天王星环

(图解:天王星环 © NASA)

天王星最近的一条光环距它的中心约23,600英里(37,191公里),最远的一条光环则在38,000英里(51,456公里)之外。不同于土星环的宽而明亮,天王星环则细而黯淡。组成天王星环的是数十亿冰块和石块,至于它们为何如此黯淡,一个说法是它们的表面可能被碳氢化合物覆盖。天文学家还认为这些石块和冰块可能来天王星的卫星。当这些直径还不到6英里(10公里)的天体受到陨石的撞击时,就会有微小的颗粒脱落下来,加入行星环。
 

天王星的卫星

天王星拥有五颗较大的卫星,或者说是它的五个月亮。它们分别叫做阿里尔、乌姆伯里厄尔、泰坦尼娅、奥伯龙和米兰达。泰坦尼娅的直径约为1,000英里(1,600公里),奥伯龙约为950英里(1,530公里)。阿里尔和乌姆伯里厄尔直径差不多,分别是725英里(1,168公里)和730英里(1,175公里)。直径最小的是米兰达,约290英里(470公里)。

(图解:天王星的五大卫星 ©合成自NASA图片)

天王星还有不计其数的小型卫星,其中很多是由旅行者2号探测器发现的。它们的直径都不超过101英里(162公里),表面都很暗,这也许是因为它们和天王星环一样覆盖着碳氢化合物。另外一些小型卫星是用地面望远镜和哈勃太空望远镜观察到的。截止2004年,人们已经发现27颗天王星的卫星,也许未来还会发现更多。

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