天王星系(Uranian System)

天王星系(Uranian System)

天王星和海王星的星體結構和大氣組成不同於更巨大的木星和土星等氣體巨星，因而天文學家將其歸類為冰巨星，目前已知天王星有27顆天然的衛星。天王星體積是太陽系第三大行星但質量比海王星小。

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」，與可以探測到的碳氫化合物。天王星是太陽系內大氣層最冷的行星，最低溫度只有49K(−224℃)。其外部的大氣層具有複雜的雲層結構，水在最低的雲層內，而甲烷組成最高處的雲層。天王星的組成主要是由冰和岩石所構成。

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，它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分布在整個地殼之內。以可見光觀測天王星的表面呈現藍綠色，這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫和氦以及甲烷。

天王星的內熱明顯的比其他太陽系的類木行星低，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，但天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外線(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。

航海家的探測顯示天王星的磁場相對於其他太陽系行星的奇特處，一是他不在行星的幾何中心，而且磁場軸相對於自轉軸傾斜59°。磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的三分之一。這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強度低於0.1高斯，而在北半球的強度高達1.1高斯；在表面的平均強度是0.23高斯。

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，因為天王星自轉軸幾乎就躺在公轉太陽的軌道面上(推測可能有地球大小的天體撞擊天王星所產生的結果，而且可能是兩個不同的物體各自從兩北極先後撞擊)，因而南極和北極也躺在其他行星的赤道位置上。從地球看，天王星的環像是環繞著標靶的圓環。
天王星有個複雜的行星環系統，它是太陽系中繼土星環之後發現第二個環系統。該環由大小公分到幾公尺的黑暗粒狀物質組成。目前已知天王星環有13個圓環，其中最明亮的是ε環。所有天王星行星環除兩個以外皆極度狹窄–通常只有幾公里寬。天王星環大概還相當年輕；動力學分析指出天王星環並非與天王星同時形成的。環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛星。而來自這些撞擊結果形成的眾多碎片中，只有少數幾片留存在對應到現今的環的有限數量穩定區域裡。而且天王星的衛星與環多擠在一個狹窄的區域，推測很可能是經過幾千次的互相撞擊而一再重生的衛星與環。

目前已知天王星有27顆天然的衛星，這些衛星的名稱出自莎士比亞和蒲柏的歌劇中。五顆主要衛星的名稱是「米蘭達」(天衛五)、「艾瑞爾」(天衛一)、「烏柏瑞爾」(天衛二)、「泰坦妮亞」(天衛三)和「奧伯龍」(天衛四)。天王星衛星系統的總質量是太陽系氣體巨星中最少的，天王星五顆主要衛星的總質量還不到海衛一的一半。

天王星

軌道半徑：19.229 AU

直徑(赤道)：25,559 ± 4km

質量：8.681x10²⁵ kg

密度：1.29 g/cm³
赤道重力：8.96 m/s²
自轉週期：0.7183日
公轉週期：84.323年
軌道離心率：0.04441
表面溫度：

1Pa		76K(-197.2°C)
0.1Pa		53K

自轉方向：由東向西

天王星的衛星系統在太陽系所有氣體巨行星中是總質量最小的，5顆最大衛星的質量總和不到海衛一的一半，而海衛一的質量在太陽系所有衛星中也只能排到第7位。天王星最大的衛星是天衛三，半徑約為788.9公里，不到月球的一半，但略大於土星第二大衛星土衛五，不過天衛三是太陽系第八大衛星。天王星的質量則相當於其所有衛星總和的1萬倍。

內衛星

截至2013年，天王星已知擁有13顆內衛星，這些衛星的軌道都位於天衛五的內側。所有內衛星都和天王星環有緊密聯繫，這個環本身可能就是由一或多個內層衛星的碎片組成。天衛六和天衛七是最靠近天王星的兩顆衛星，並且也是天王星環中ε環的牧羊人衛星，而天衛二十六則是最外側μ環的來源。

主群衛星

天王星擁有5顆主群衛星，與天王星的距離從近到遠排列分別是：天衛五、天衛一、天衛二、天衛三和天衛四。其中天衛五直徑最小，為472公里，天衛三最大，有1578公里。這5顆衛星相對而言都是暗天體，其幾何反射率範圍在30%至50%之間，而球面反射率則在10%到23%之間。天衛二是其中最暗的衛星，天衛一則是最亮的。

不規則衛星

天王星目前已知擁有9顆不規則衛星，這些衛星與天王星的距離遠大於天衛四。所有的不規則衛星都很可能是在天王星形成後不久捕獲的天體。

主要衛星

泰坦妮亞(Titania)-天衛三：是天王星最大的衛星，也是太陽系內第八大的衛星。過去的火山活動讓表面覆滿了火山灰。有長達數千公里的大峽谷，可能是由於內部的水凍結、膨脹，撐裂了薄弱的外殼而形成的。其峽谷規模與火星上的水手號峽谷，或是土星的衛星泰塞斯的伊薩卡峽谷一樣。而表面則被一種黑色物質重新覆蓋過，可能是甲烷或水冰。

奧伯龍(Oberon)-天衛四：由近乎等量的冰體水和岩石構成，其內部可能分化出岩石內核及冰質地函。而在內核和地函之間可能還存在著一層液態水。天衛四的表面呈暗紅色，其主要地形是小行星和彗星撞擊後所形成的，並有許多直徑達到210公里的撞擊坑存在。天衛四表面存在峽谷(地塹)地形，該地形是天體演化初期因內部膨脹而形成的。

烏柏瑞爾(Umbriel)-天衛二：天衛二在形成初期常常被隕石撞擊，因此表面上有大大小小的隕石坑，在天王星所有衛星裡隕石撞擊坑數量僅次於天衛四。最大的隕石坑直徑至少有210公里。天衛二其中一個表面特徵是在旺達隕石坑(Wunda crater)最低點的一圈明亮圓環。天衛二與天王星其它大型衛星一樣，可能是由天王星的吸積盤所組成。

艾瑞爾(Ariel)-天衛一：天衛一大約有70%是由冰(水冰與乾冰，可能也有甲烷冰)所構成的，而30%則是矽酸鹽(出現在新形成的霜附近，特別是年輕撞擊坑洞的噴發物質中)。最大及最古老的地質特徵是靠近南極的火山平原。南半球的中緯地區存在斷層、峽谷網絡與冰流動的跡象，並破壞火山平原的地區的表面。這些峽谷可能代表由伸張大地構造所造成的地塹。在峽谷中也可以見到一些平滑的物質與溝槽，這可能表示一些地層中蘊含著溫暖的冰(從天衛一內部所擠壓出來的)。

天衛一過去的地質活動被認為是受到潮汐加熱的影響，當時它的軌道離心率比現在更大。在形成初期天衛一似乎與天衛四產生4：1的軌道共振，雖然後來就沒有產生這樣的共振。共振也增加了天衛一的軌道離心率，導致天王星對於天衛一的潮汐力並不穩定，也造成它內部的溫度上升。

米蘭達(Miranda)-天衛五：米蘭達的表面也許主要是碎冰、低密度矽酸鹽和有機化合物組成的岩石。米蘭達表面殘破有如補丁的地形，表明在這顆衛星上曾有強烈的地質活動進行過，才會有巨大的峽谷交叉往來於表面。

冕狀物(coronae)的巨大溝槽結構可能是被溫暖的冰刺穿或湧出造成的。這種作用可能改變了衛星內部的密度分布，也可能造成米蘭達自身的重組。相似的情況相信也曾在土星的衛星恩塞拉都斯發生過。這種活動的能源被認為是來自天王星的潮汐力，可能在過去曾和其他天王星的衛星有軌道共振的關係。

米蘭達過去的地質活動可推測過去的軌道離心率比目前大，曾經歷過潮汐加熱。在形成初期，米蘭達曾經和烏伯瑞爾有3:1的軌道共振，之後才從那種狀態脫離。共振會使軌道離心率增加，隨著時間的變化，由天王星產生的潮汐力引起潮汐摩擦，導致衛星內部被加熱。

天王星的衛星

名稱	尺寸(km)	質量(×1018kg)	半長軸(km)	軌道周期(天)	軌道傾角(°)	離心率	發現年份	發現者
天衛六	40 ± 6 (50 × 36)	0.044	49,770	0.335034	0.08479°	0.00026	1986	特里爾 (航海家2號)
天衛七	43 ± 8 (54 × 38)	0.053	53,790	0.376400	0.1036°	0.00992	1986	特里爾 (航海家2號)
天衛八	51 ± 4 (64 × 46)	0.092	59,170	0.434579	0.193°	0.00092	1986	史密斯 (航海家2號)
天衛九	80 ± 4 (92 × 74)	0.34	61,780	0.463570	0.006°	0.00036	1986	賽諾特 (航海家2號)
天衛十	64 ± 8 (90 × 54)	0.18	62,680	0.473650	0.11125°	0.00013	1986	賽諾特 (航海家2號)
天衛十一	94 ± 8 (150 × 74)	0.56	64,350	0.493065	0.065°	0.00066	1986	賽諾特 (航海家2號)
天衛十二	135 ± 8 (156 × 126)	1.70	66,090	0.513196	0.059°	0.00005	1986	賽諾特 (航海家2號)
天衛十三	72 ± 12	0.25	69,940	0.558460	0.279°	0.00011	1986	賽諾特 (航海家2號)
天衛二十七	≈ 18	0.0038	74,800	0.618	0.1°	0.0013	2003	肖沃爾特和 利斯奧爾
天衛十四	90 ± 16 (128 × 64)	0.49	75,260	0.623527	0.031°	0.00007	1986	賽諾特 (航海家2號)
天衛二十五	30 ± 6	0.018	76,400	0.638	0.0°	0.0012	1999	卡考斯卡 (航海家2號)
天衛十五	162 ± 4	2.90	86,010	0.761833	0.3192°	0.00012	1985	賽諾特 (航海家2號)
天衛二十六	≈ 25	0.01	97,700	0.923	0.1335°	0.0025	2003	肖沃爾特和 利斯奧爾
天衛五	471.6 ± 1.4 (481 × 468 × 466)	65.9±7.5	129,390	1.413479	4.232°	0.0013	1948	古柏
天衛一	1,157.8±1.2 (1162 × 1156 × 1155)	1,353±120	191,020	2.520379	0.260°	0.0012	1851	拉塞爾
天衛二	1,169.4±5.6	1,172±135	266,300	4.144177	0.205°	0.0039	1851	拉塞爾
天衛三	1,576.8±1.2	3,527±90	435,910	8.705872	0.340°	0.0011	1787	赫雪爾
天衛四	1,522.8±5.2	3,014±75	583,520	13.463239	0.058°	0.0014	1787	赫雪爾
天衛二十二	≈ 22	0.0072	4,276,000	−266.56	147.459°	0.1459	2003	霍爾曼等人
天衛十六	≈ 72	0.25	7,230,000	−579.50	139.885°	0.1587	1997	格萊德曼等人
天衛二十	≈ 32	0.022	8,002,000	−676.50	141.873°	0.2292	1999	格萊德曼等人
天衛二十一	≈ 18	0.0039	8,571,000	−758.10	166.252°	0.2200	2001	霍爾曼等人
天衛十七	≈ 150	2.30	12,179,000	−1283.4	152.456°	0.5224	1997	尼科爾森等人
天衛二十三	≈ 20	0.0054	14,345,000	1694.8	51.455°	0.6608	2003	謝潑德和 朱維特
天衛十八	≈ 50	0.085	16,418,000	−1992.8	146.017°	0.4448	1999	霍爾曼等人
天衛十九	≈ 48	0.075	17,459,000	−2202.3	145.883°	0.5914	1999	卡沃拉爾斯等人
天衛二十四	≈ 20	0.0054	20,900,000	−2823.4	167.346°	0.3682	2003	霍爾曼等人

探測計畫：

飛越任務(Flyby missions)

Voyager 2 (1986)

軌道任務(Orbiter missions)

NASA ESA Uranus Pathfinder mission(proposed 2022)

NASA Uranus orbiter(proposed 2018)

Source：NHK、discovery channel 、NGC 、Wikipedia 、NASA 、ESA 、JAXA 、BBC 、CNN 、How It Works、牛頓雜誌、科學人雜誌