天王星（英文：Uranus，天文符号：⛢，占星符号：♅），为太阳系八大行星之一，是太阳系由内向外的第七颗行星（18.37~20.08天文单位），是一颗在太阳系中离太阳第七近的青色行星， [17]其体积在太阳系中排名第三（比海王星大），质量排名第四（小于海王星），几乎横躺着围绕太阳公转。封面图为旅行者2号飞掠天王星最近时拍摄的照片。
- 中文名
- 天王星
- 外文名
- 英语：Uranus
希腊语：Ουρανός
俄语：уран - 别 名
- 赫歇尔的行星、乔治之星
- 发现者
- 威廉·赫歇尔
- 发现时间
- 1781年3月13日
- 质 量
- 8.681✕1025 kg（±0.0013）
- 平均密度
- 1.27 g/cm³
- 直 径
- 50724 km
- 表面温度
- -226 ℃（47K，0.1巴气压云顶）
- 逃逸速度
- 21.3 km/s
- 反照率
- 0.300（球面，0.488 几何）
- 视星等
- 5.38 至 6.03 等
- 自转周期
- 17时14分24秒
- 半长轴
- 19.2184 天文单位
- 离心率
- 0.046381
- 公转周期
- 84.0205 年
- 平近点角
- 142.238600 度
- 轨道倾角
- 0.772556 度
- 升交点经度
- 74.006 度
- 卫星数
- 27
- 近日点
- 18.33 天文单位
- 远日点
- 20.11 天文单位
- 近日点幅角
- 74.006°
- 赤道半径
- 25559±4 km
- 极半径
- 24973±20 km
- 表面重力
- 0.886 g
- 赤道自转速度
- 2.59 km/s
- 转轴倾角
- 97.77°
在古代人们就熟知五颗行星（水星、金星、火星、木星、土星），与它们相比，天王星的亮度也是肉眼可见的。但天王星亮度较暗、绕行速度缓慢，并且由于那时望远镜观测能力不足，被古代的观测者认定为是一颗恒星。天王星在被发现是行星之前，已经被观测了很多次，但都把它当作恒星看待。最早的纪录可以追溯至1690年约翰·佛兰斯蒂德（John Flamsteed），在星表中将其编为金牛座34（34 Tauri），并且至少观测了6次。法国天文学家Pierre Charles Le Monnier在1750至1769年也至少观测了12次，包括一次连续四夜的观测。
威廉·赫歇尔，天王星的发现者
威廉·赫歇尔用于发现天王星的望远镜复制品为此，威廉·赫歇尔被英国皇家学会授予科普利奖章。英国国王乔治三世依据他的成就，给予赫歇尔每年200英镑的年薪（相当于2019年的24000英镑），并要求他移居至温莎城堡附近，好让皇室家族成员有机会使用他的望远镜观星。
2023年10月31日，科学家在深入研究最近 20 年记录的相关数据之后，确认在天王星的北部区域存在红外极光，进一步完善了人类对天王星的知识拼图，并为科学家探究天王星为何如此炎热提供了新的视角。 [17]
科学家首次发现天王星存在红外极光
科学家首次发现天王星存在红外极光马斯基林曾这样的问赫歇尔：“帮天文学世界一个忙，为您的行星取个名字，这也完全是为了您所爱的，并且也是我们迫切期望您为您的发现所做的。”回应马基斯林的请求，赫歇尔决定命名为“乔治之星（Georgium Sidus或Georgian Planet）以纪念他的新赞助人——乔治三世。他在给约瑟夫·班克斯的信件中解释道：“在古老的神话蛮荒世纪，我们赋予行星名称墨丘利（Mercury）、维纳斯（Venus）、玛尔斯（Mars）、朱庇特（Jupiter）与萨图恩（Saturn）以表彰当时最具分量的的英雄及神祇。在身处现今更为理性开化的纪元，我们将很难如法泡制将新发现的天体称为朱诺（Juno）、帕拉斯（Pallas）、阿波罗（Apollo）或密涅瓦（Minerva）。如果任何未来世纪的天文学家问我：当这个刚刚找到的行星发现时，照您的年表有没有任何特别显著的事件首先列入考虑表扬。我将会很满意的回答：‘在乔治三世（四海升平）的统治下’。“ [2]
八大行星中仅有天王星的英文名称Uranus取自希腊神话而非罗马神话。希腊神话中的天空之神乌拉诺斯（Uranus），是农神克洛诺斯（Cronus）的父亲，众神之王宙斯（Zeus）的祖父，这三代主神分别相当于罗马神话中的凯路斯（Caelus，未被天体使用），萨图恩（Saturn，土星的名称），朱庇特（Jupiter，木星的名称）。
法国天文学家杰罗姆·拉兰德（Jerôme Lalande）曾建议将这颗行星称为赫歇尔以尊崇它的发现者。但是，德国天文学家约翰·波得（Johann Elert Bode）赞成用希腊神话中的Uranus命名。波得的观点是克洛诺斯是宙斯的父亲（萨图恩是朱庇特的父亲），新的行星则应该取名为克洛诺斯的父亲——乌拉诺斯。 [3]Uranus的名称最早是在赫歇尔过世一年之后的1823年才出现于官方文件中。乔治三世或“乔治之星”的名称在之后仍经常被使用（只在英国使用），直到1850年，英国航海星历局才换用Uranus的名称。之后，Uranus便成为普遍接受的名字。
天王星的形容词（Uranian）被铀的发现者Martin Klaproth用来命名在1789年新发现的元素。Uranus的重音在第一个音节，因为倒数第二个音a是短音（ūrănŭs）并且是开放的音节。这样的音节在拉丁文中从未被强调过，因此在传统上名字的正确发音是来自英语的[ˈjʊ.rə.nəs]。传统上不正确的发音，重音落在第二音节并且将a发成长音是很普通的。
天王星的天文学符号是⛢，综合了火星和太阳符号，因为天王星是希腊神话的天空之神，被认为是由太阳和火星联合的力量所控制的。天王星在占星学上的符号♅，是拉兰德在1784年建议的。在给赫歇尔的一封信中，拉兰德描述道“地球符号的上方放置着您姓氏的首字母”（"un globe surmonté par la première lettre de votre nom"）。1859年，清代天文学家李善兰在翻译约翰·赫歇尔所著的《天文学纲要》的译著《谈天》中，分别将Uranus与Neptune意译为天王星、海王星，此后广泛在中国、日本、韩国和越南等亚洲国家使用。 [4]
天王星近红外光谱假色照片，哈勃NICMOS相机1998年拍摄从1995至2006年，天王星的视星等在+5.6至+5.9等之间，勉强在肉眼可见的+6.0等之上，它的角直径在3.4至3.7弧秒；比较土星是16至20弧秒，木星则是32至45弧秒。在冲的时候，天王星可以用肉眼在黑暗、无光污染的天空直接看见，即使在城市中也能轻易的使用双筒望远镜看见。使用物镜的口径在15至25厘米的大型业余天文望远镜，天王星将呈现苍白的深蓝色盘状与明显的周边昏暗；口径25厘米或更大的，云的型态和一些大的卫星，像是天卫三和天卫四，都有可能看见。 [6]
模拟1986年到2030年从地球上看到的天王星天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢（83%），其次为氦（15%）。在许多方面天王星（海王星也是）与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面（主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成）。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核，它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。直接以肉眼观察，天王星的表面呈现洋蓝色，这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱所导致。
天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢（83%），其次为氦（15%）。在许多方面天王星（海王星也是）与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面（主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成）。天王星的质量大约是地球的14.5倍，是类木行星中质量最小的。它的密度是1.29公克/厘米³只比土星高一些，直径虽然与海王星相似（大约是地球的4倍），但质量较低。这些数值显示天王星主要由各种各样挥发性物质，例如水、氨和甲烷组成。天王星内部冰的总含量还不能精确的知道，根据选择的模型不同有不同的含量，但是总在地球质量的9.3至13.5倍之间。氢和氦在全体中只占很小的部分，大约在0.5至1.5地球质量。剩余的质量（0.5至3.7地球质量）才是岩石物质。
天王星内部结构图，厚厚的大气包裹地幔与核心上面所考虑的模型或多或少都是标准的，但是其他的模型也能满足观测的结果。例如，如果大量的氢和岩石混合在地幔中，则冰的总量就会减少，并且相对的岩石和氢的总量就会提高；可利用的数据还不足以让我门确认哪一种模型才是正确的。天王星内部的流体结构意味着没有固体表面，气体的大气层是逐渐转变成内部的液体层内。但是，为便于扁球体的转动，在大气压力达到1巴之处被定义和考虑为行星的表面时，天王星赤道半径和极半径分别是25559±4和24973±20公里。这样的表面将作为高度的零点。 [7]
红外线下的天王星照片根据旅行者2号的探测结果，科学家推测天王星上可能有一个深度达10000公里、温度高达6650℃，由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力，令分子紧靠在一起，使得这高温海洋未能沸腾及蒸发。反过来，正由于海洋的高温，恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。海洋从天王星高温的内核（高达6650摄氏度）一直延伸到大气层的底部，覆盖整个天王星。必须强调的是，这种海洋与我们所理解的、地球上的海洋完全不同。也有观点认为，天王星上并不存在这种海洋。
据2015年英国《每日邮报》报道，科学家们在海王星和天王星研究方面取得进展，海王星和天王星上或覆盖有大片液态钻石海，海面上还漂浮着类似于冰山的、体积庞大的固体钻石。在进行了一系列实验之后，科学家得出上述结论，并认为这一发现可能有助于解释这两个星球的一些奇怪特性。在其中一项实验中，研究人员把钻石放在与海王星上一样的高温高压环境之下，检测钻石的变化。海王星的压力为地球零海拔的1100万倍，温度为5万摄氏度。实验结果显示，在压力提高至零海拔1100万倍时，钻石变成液态；之后再把温度提高至5万摄氏度后，部分液态钻石会再次变成固体。但奇怪的是，这些固态钻石会漂浮在液态钻石之上，就像是“钻石冰山”一样。科学家们认为，钻石海洋的说法解释了海王星和天王星磁极倾斜之谜，这两个星球的磁极偏离地理极60度左右。此外，这也解释了为什么海王星和天王星10%的表面成分为碳元素。
旅行者2号的观测显示天王星的磁场是奇特的，一是他不在行星的几何中心，再者他相对于自转轴倾斜59°。事实上，磁极从行星的中心偏离往南极达到行星半径的1/3。这异常的几何关系导致一个非常不对称的磁层，在南半球的表面，磁场的强度低于0.1高斯，而在北半球的强度高达1.1高斯；在表面的平均强度是0.23高斯。与地球的磁场比较，两极的磁场强度大约是相等的，并且“磁赤道”大致上也与物理上的赤道平行，天王星的偶极矩是地球的50倍。
天王星磁场随自转变化
天王星极光正对着赤道环，偏斜的磁场造成极光不同于地球和木星天王星对流层温度随着高度增加而降低，温度从有名无实的底部大约320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在对流层顶实际的最低温度在49至57K，依在行星上的高度来决定。对流层顶是行星的上升暖气流辐射远红外线最主要的区域，由此处测量到的有效温度是59.1±0.3K。
天王星大气层的中层是平流层，此处的温度逐渐增加，从对流层顶的53K上升至增温层底的800至850K。平流层的加热来自甲烷和其他碳氢化合物吸收的太阳紫外线和红外线辐射，大气层的这种形式是甲烷的光解造成的。来自增温层的热也许也值得注意。碳氢化合物相对来说只是很窄的一层，高度在100至280公里，相对于气压是10微帕至0.1微帕，温度在75K和170K之间。
天王星大气层的最外层是热层（增温层或晕），有着均匀一致的温度，大约在800至850K。
天王星大气增强色图像，外行星大气遗留问题计划拍摄
天王星极光，哈勃太空望远镜成像光谱仪拍摄对流层是大气层最低和密度最高的部分，温度随着高度增加而降低，温度从有名无实的底部大约320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在对流层顶实际的最低温度在49至57K，依在行星上的高度来决定。对流层顶是行星的上升暖气流辐射远红外线最主要的区域，由此处测量到的有效温度是59.1±0.3K。对流层应该还有高度复杂的云系结构，水云被假设在大气压力50至100帕，氨氢硫化物云在20至40帕的压力范围内，氨或氢硫化物云在3和10帕，最后是直接侦测到的甲烷云在1至2帕。对流层是大气层内非常活跃的部分，表现出强风、亮云和季节性的变化。
天王星大气对流层和平流层的温度曲线图，有好几层云和霾天王星大气层的最外层是热层（增温层或晕），有着均匀一致的温度，大约在800至850K。仍不了解是何种热源支撑着如此的高温，虽然低效率的冷却作用和平流层上层的碳氢化合物也能贡献一些能源，但即使是太阳的远紫外线和超紫外线辐射，或是极光活动都不足以提供所需的能量。除此之外，氢分子和增温层与晕拥有大比例的自由氢原子，她们的低分子量和高温可以解释为何晕可以从行星扩展至50000公里，天王星半径的俩倍远。这个延伸的晕是天王星的一个独特的特点。他的作用包括阻尼环绕天王星的小颗粒，导致一些天王星环中尘粒的耗损。天王星的增温层和平流层的上层对应着天王星的电离层。观测显示电离层占据2000至10000公里的高度。天王星电离层的密度比土星或海王星高，这可能肇因于碳氢化合物在平流层低处的集中。电离层是承受太阳紫外线辐射的主要区域，它的密度也依据太阳活动而改变。极光活动不如木星和土星的明显和重大。 [11]
在紫外线与可见光波段下与其他的气体巨星，甚至是与相似的海王星比较，天王星的大气层是非常平静的。当旅行者2号在1986年飞掠过天王星时，总共观察到了10个横跨过整个行星的云带特征。有人提出解释认为这种特征是天王星的内热低于其他巨大行星的结果。记录到天王星对流层顶的最低温度是49K，比海王星还要冷，使天王星成为太阳系温度最低的行星（原来九大行星中温度最低的冥王星已不再是行星）。
在1986年，旅行者2号发现可见的天王星南半球可以被细分成两个区域：明亮的极区和暗淡的赤道带状区。两这区的分界大约在纬度-45°的附近。一条跨越在-45°至-50°之间的狭窄带状物是在行星表面上能够看见的最亮的大特征，被称为南半球的“衣领”。极冠和衣领被认为是甲烷云密集的区域，位置在大气压力1.3至2帕的高度。很不幸的是，旅行者2号抵达时正是盛夏，而且观察不到北半球的部分。不过，从21世纪开始之际，北半球的“衣领”和极区就可以被哈勃太空望远镜和凯克望远镜观测到。结果，天王星看起来是不对称的：靠近南极是明亮的，从南半球的“衣领”以北都是一样的黑暗。天王星上之后可能出现的季节变化，将会被详细的讨论。天王星可以观察到的纬度结构和木星与土星是不同的，它们展现出许多条狭窄但色彩丰富的带状结构。
1990年代的高分辨率成像观测表明，亮云特征的数量有着明显的增长。它们多数都出现于北半球开始成为可以看见的区域。早期的解释—认为是亮云在行星黑暗的部分比较容易被分辨出来，而在南半球则被明亮的“衣领”掩盖掉—被证明是错误的，实际上特征数量已确实显著增加。不过，两个半球的亮云是有区别的，北半球的亮云较小、较尖锐和较明亮。它们看上去都躺在较高的高度。亮云的生命期有着极大的差异，一些小的只有几小时，而南半球至少有一个从旅行者飞掠过后仍一直存在着。最近的观察也发现，虽然天王星的气候较为平静，但天王星的亮云有许多特性与海王星相同。
追踪这些有特征的亮云，可以测量出天王星对流层上方的风是如何在极区咆哮。在赤道的风是退行的，意味着它们吹的方向与自转的方向相反，它们的速度从−100至−50米/秒。风速随着远离赤道的距离而增加，大约在纬度±20°静止不动，这儿也是对流层温度最低之处。再往极区移动，风向也转成与行星自转的方向一致，风速则持续增加，在北纬60°处达到最大值，然后下降至极区减弱为0。在南纬40°附近，风速从150到200米/秒，因为“衣领”盖过了所有平行的亮云，无法测量从哪儿到南极之间的风速。与北半球对照，风速在纬度+50°达到最大值，速度高达240米/秒。
天王星上发现首个大黑斑，哈勃望远镜先进巡天相机2006年拍摄
天王星南半球近似自然色（左）和较短波长（右）的照片天王星物理变化的机制还不是很清楚，在接近至点，天王星的一个半球沐浴在阳光之下，另一个半球则对向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被认为是对流层里来自甲烷云与阴霾层局部增厚的结果。在纬度-45°的明亮“衣领”也与甲烷云有所关联。在南半球极区的其他变化，也可以用低层云的变化来解释。来自天王星微波发射谱线上的变化，或许是在对流层深处的循环变化造成的，因为厚实的极区云层和雾霾可能会阻碍对流。天王星春天和秋天的昼夜平分点即将来临，动力学上的改变和对流可能会再发生。
北半球 | 年份 | 南半球 |
|---|---|---|
冬至 | 1902，1986 | 夏至 |
春分 | 1923，2007 | 秋分 |
秋分 | 1965，2049 | 春分 |
在1986年，旅行者2号飞掠时，天王星的南极几乎正对着太阳。标记这个极是南极是基于国际天文联合会的定义：行星或卫星的北极，是指向太阳系不变平面的上方（不是由自转的方向来决定）。但是，仍然有不同的协定被使用着：一个天体依据右手定则所定义的自转方向来决定北极和南极。根据后者的坐标系，1986年在阳光下的极则是北极。
天王星环向光面与背光面比较，旅行者2号拍摄
1977年天王星掩恒星光度变化曲线，显示行星环
天王星环和卫星示意图名称 | 环半径（km） | 宽度（km） | 厚度（km） | 说明 |
|---|---|---|---|---|
ζcc | 26840–34890 | 8000 | 0.8 | ζc环的内部延伸 |
ζc | 34890–37850 | 3000 | 0.6 | ζ环的内部延伸 |
1986U2R | 37000–39500 | 2500 | 小于2.5 | 黯淡的尘埃环 |
ζ | 37850–41350 | 3500 | 1 | - |
6 | 41837 | 1.6-2.2 | 0.41 | - |
5 | 42234 | 1.9-4.9 | 0.91 | - |
4 | 42570 | 2.4-4.4 | 0.71 | - |
α | 44718 | 4.8-10.0 | 3.39 | - |
β | 45661 | 6.1-11.4 | 2.14 | - |
η | 47175 | 1.9-2.7 | 0.42 | - |
ηc | 47176 | 40 | 0.85 | η环的外部组成部分 |
γ | 47627 | 3.6-4.7 | 3.3 | - |
δc | 48300 | 10-12 | 0.3 | δ环的内部组成部分 |
δ | 48300 | 4.1-6.1 | 2.2 | - |
λ (1986U1R) | 50023 | 1-2 | 0.2 | 黯淡的尘埃环 |
ε | 51149 | 19.7-96.4 | 47 | |
ν (R/2003U 2) | 66100–69900 | 3800 | 0.012 | |
μ (R/2003U 1) | 86000–103000 | 17000 | 0.14 |
天王星的卫星和与环示意图
天王星主要卫星的拼合照片
天王星与卫星照片（甚大望远镜自适应光学系统拍摄）中文名称 | 英文名称 | 发现年或临时编号 | 半长轴（km） | 直径（km) | 发现者 |
|---|---|---|---|---|---|
Ariel | 1851年10月24日 | 191020 | 1157.8±1.2 | ||
Umbriel | 1851年10月24日 | 266300 | 1169.4±5.6 | ||
Titania | 1787年1月11日 | 435910 | 1576.8±1.2 | ||
Oberon | 1787年1月11日 | 583520 | 1522.8±5.2 | ||
Miranda | 1948年2月16日 | 129390 | 471.6±1.4 | ||
Cordelia | S/1986 U 7 | 49770 | 40±6 (50×36) | Terrile（旅行者2号） | |
Ophelia | S/1986 U 8 | 53790 | 43±8 (54×38) | Terrile（旅行者2号） | |
Bianca | S/1986 U 9 | 59170 | 51±4 (64×46) | Smith（旅行者2号） | |
Cressida | S/1986 U 3 | 61780 | 80±4 (92×74) | Synnott（旅行者2号） | |
Desdemona | S/1986 U 6 | 62680 | 64±8 (90×54) | Synnott（旅行者2号） | |
Juliet | S/1986 U 2 | 64350 | 94±8 (150×74) | Synnott（旅行者2号） | |
Portia | S/1986 U 1 | 66090 | 135±8 (156×126) | Synnott（旅行者2号） | |
天卫十三 | Rosalind | S/1986 U 4 | 69940 | 72±12 | Synnott（旅行者2号） |
Belinda | S/1986 U 5 | 75260 | 90±16 (128×64) | Synnott（旅行者2号） | |
Puck | S/1985 U 1 | 86010 | 162±4 | Synnott（旅行者2号） | |
Caliban | S/1997 U 1 | 7163800 | 42+20−12 | Gladman 等 | |
Sycorax | S/1997 U 2 | 12193200 | 157+23−15 | Nicholson 等 | |
Prospero | S/1999 U 3 | 16191900 | ≈ 50 | Holman 等 | |
Setebos | S/1999 U 1 | 17543900 | ≈ 48 | Kavelaars 等 | |
Stephano | S/1999 U 2 | 7952300 | ≈ 32 | Gladman 等 | |
Trinculo | S/2001 U 1 | 8504800 | ≈ 18 | Holman 等 | |
Francisco | S/2001 U 3 | 4275900 | ≈ 22 | Holman 等 | |
Margaret | S/2003 U 3 | 14419200 | ≈ 20 | Sheppard、Jewitt | |
Ferdinand | S/2001 U 2 | 20456300 | ≈ 20 | Holman 等 | |
Perdita | S/1986 U 10 | 76400 | 30 ± 6 | Karkoschka（旅行者2号） | |
Mab | S/2003 U 1 | 97700 | ≈ 25 | Showalter、Lissauer | |
Cupid | S/2003 U 2 | 74800 | ≈ 18 | Showalter、Lissauer |
天王星大气中的气旋变化
天王星新月照，旅行者2号前往海王星前拍摄2023年5月26日消息，美国宇航局的“旅行者 2 号”（Voyager 2）几十年前飞掠天王星的时候，发现其南极周围出现了漩涡。天文学家当时展开了相关研究，发现温度并未发生变化，因此认为天王星的大气层相当惰性。根据近日发表在《Geophysical Research Letters》上的论文，天文学家认为在天王星的北极，存在着围绕北极旋转的极地涡旋。 [15]
- 影像公布
当地时间2022年5月31日，法新社公布了天王星和海王星影像。画面中，左侧为天王星，右侧为海王星。该影像是旅行者2号飞船在20世纪80年代飞越这两个行星时拍摄到的。 [13]
天王星 [13]
天王星 [13]- 三星伴月
西方低空木星、天王星和昴星团依次伴月示意图2022年，德国、法国研究人员开展的一项新颖的实验证实：在太阳系外围海王星和天王星的冰巨星内确实会下“钻石雨”。 [14]
天王星的自转轴与黄道面的倾角为97.77度（行星倾斜度最大的吉尼斯世界纪录）。 [16]
