审核专家：鲁暘筱懿

行星物理学博士

国家遥感中心副研究员

对天文感兴趣的小伙伴一定知道，在太阳系里，天王星是一个特立独行的存在，它是唯一一颗躺着绕太阳公转的行星，自转轴竟偏了将近98度！（地球自转轴大约偏了23度）

你以为这就完了，天王星身上的怪事还多着呢，温度异常的低、公转轨道总发生变化、磁场十分凌乱……就连它的名字Uranus，也和太阳系里其他行星的命名规则不同。

这样一个奇怪的行星到底是怎么被人发现的呢？来了解下吧～

恒星？彗星？行星？

据记载，人类第一次观测到天王星是在1690年，观测者正是第一任格林尼治天文台台长约翰·弗莱姆斯蒂德。

可惜的是，弗莱姆斯蒂德误认为他观测到的天体是一颗恒星，并将其命名为金牛座34。

时间来到了1781年，威廉·赫歇尔在观测恒星时发现似乎有一颗星星的运动不太寻常，它并没有像其他恒星一样近乎同步地绕着北天极转圈，而是与其他已知的恒星存在相对运动。

（恒星为啥会旋转，赫歇尔是谁？点击这里回顾下我们之前的文章吧）

说来也巧，赫歇尔发现的这颗不太寻常的星星正是所谓的金牛座34。

于是，赫歇尔大胆推测，这个天体并不是恒星，而是一颗彗星。

当时的人们已经知道，在万有引力作用下天体的运动轨迹只会是椭圆、双曲线、抛物线三种圆锥曲线，而彗星的轨道一般是非常扁的椭圆或双曲线、抛物线。

于是，赫歇尔开始着手计算这颗彗星的轨道。

不过，人类再一次被打了脸。

赫歇尔发现这颗彗星的轨道是一个十分接近正圆的椭圆，轨道距离太阳大概19个天文单位（1个天文单位是1倍地球到太阳的距离）。

根据当时的观测，太阳系里通常只有像水星、金星、地球、火星、木星、土星这样的行星才会以接近正圆的轨道运动。

难道赫歇尔发现的不是彗星，而是一颗新的行星？如果属实，这可是一个足以轰动当时天文界的大新闻！太阳系的疆域也将从当时人们认为的10个天文单位（大约是土星轨道的位置）拓展到19个天文单位，几乎扩大了1倍！

那么，怎么证明一个天体是行星呢？

现代的观点认为，太阳系里如果一个天体能被称为行星，它要满足这三个条件：轨道环绕着太阳；有足够质量能维持流体静力平衡（接近球体的形状）；能清除相似轨道上其它的天体。

不过，18世纪的人们并不这么认为，而是更倾向于用提丢斯-波得定则来验证。

1766年，通过总结前人研究，戴维·提丢斯指出太阳系中各行星到太阳的距离是有规律的，他还用数字把这个规律描述了出来。

之后，约翰·波得归纳并发表了这个规律，这就是前面提到的提丢斯-波得定则（约翰·波得就是后来的柏林天文台台长）。

现在人们常用下面这个经验公式来表示提丢斯-波得定则：

这个公式能近似预测太阳系中各个行星轨道距离太阳的远近。

其中，a表示行星轨道到太阳的距离，单位是天文单位，把n代入不同数，就能得到太阳系中各个行星到太阳的距离了。

用这个公式计算出的水星、金星、地球、火星、木星、土星轨道距太阳的距离与当时实际观测的结果十分接近。

（当时人们还没发现小行星带、天王星、海王星、柯伊伯带）

称它为经验公式，是因为这个公式并不是根据任何物理模型得出的，本身没什么物理意义，仅仅由观测数据归纳而来，之所以它能预测行星轨道位置，说白了就是因为赶巧了。

那么，赫歇尔刚发现的看起很像行星的天体满不满足这个规律呢？

于是，人们把n=6代入公式，发现计算出的轨道距离太阳19.6个天文单位，与赫歇尔的观测结果十分的接近，后来陆续的观测与计算都表明，赫歇尔发现的正是土星之后的第七颗太阳系行星。

不太一样的命名

既然发现了新的行星，如何给这个行星命名就成了摆在人们眼前的问题。

它的发现者赫歇尔提议将这颗行星命名为乔治之星，以纪念当时的英国国王乔治三世。

这个提议显然遭到了其他国家天文学家的反对，他们表示：科学发现是全人类的财富，凭什么用英国国王来命名？

德国天文学家约翰·波得（没错，就是归纳提丢斯-波得定则的那个人）想到既然木星以古罗马神话中的众神之父Jupiter命名，土星以Jupiter的父亲Saturn命名，那新发现的这颗行星不妨就以Saturn的父亲Caelus命名。

然而，波得最终并没有像前5个行星那样按照古罗马神话人物的名字来给这颗行星命名，而是选用了Caelus在古希腊神话中对应的形象Ouranos来命名这颗行星。

Ouranos最终又被拉丁化为Uranus。

于是Uranus最终成为了这颗新行星的名称，并被各国天文学家认可接受，沿用至今。

Uranus是古希腊神话中的天空之神，因此在中文里被翻译为天王星。

天王星的名字便是这么来的。

不太一样的轨道

天王星被发现后，天文学家们开始对它进行系统的观测。

人们发现天王星的周期84年，也就是天王星绕太阳一周需要84年。

1783年，拉普拉斯计算出了天王星精确轨道，并给出了天王星轨道基本的6个参数：轨道倾角、升交点黄经、离心率，近日点幅角，椭圆半长轴、平近点角。

不过，天文学家在后续对天王星的观测中发现了问题，天王星的轨道似乎不那么稳定，形状总会发生变化，这个现象被称为轨道的摄动。

这对于当时的天文学家来说可是个新鲜事，人们渐渐意识到这可能是受到天王星附近某个较大天体引力的影响导致的。

半个多世纪后，约翰·柯西·亚当斯和奥本·勒维耶几乎同时独立地用纸和笔纯手工计算预言了这个天体的存在，并用理论计算出了它的轨道。

后来，德国柏林天文台的约翰·格弗里恩·伽勒根据勒维耶的理论预测，真的发现了一颗行星，这颗行星后来被命名为海王星。

海王星也是人类历史上第一颗先被理论预言，然后才被观测到的天体，被喻为从笔尖算出来的行星。

正是受到了海王星引力的影响，天王星的轨道才会不断地发生变化，就此人们解开了天王星轨道摄动之谜。

躺着打滚的行星

除了轨道摄动，天王星最奇特的地方便是它极度偏斜的自转轴了。

我们的地球自转轴偏角稳定在23度上下，这使得地球上有明显的四季变化。

而天王星自转轴的偏角高达98度！它绕太阳公转时如同躺着打滚一般，大概是这个样子：

至于天王星为啥躺着转，目前学界还没有定论。

科学家猜想，很久以前天王星和太阳系其他行星差不多，自转轴的偏角并不大，但后来有一颗天体撞上了天王星，把它撞歪了。

还有学者通过计算机模拟认为，天王星自转轴偏角这么大，可能并不是由于一次剧烈的碰撞导致的，而是经历了许多次小型的碰撞。

甚至有观点认为这可能是天王星与其周围尘埃盘之间的轨道共振导致的。

在近期一项发表在《自然 天文学》的研究中，日本的研究团队经过计算模拟指出，可能有一颗1到3倍地球质量的冰质卫星撞上了天王星，产生了大量的碎片。

这些碎片中包含了大量的易挥发物质（水和氨），这些物质碰撞后转变为气态再次被天王星的引力捕获，另一些碎片则形成了天王星的环，围绕天王星公转。

以上复杂的过程和长时间的相互作用最终使天王星自转轴偏角稳定在98度，并形成了稳定的环。

除了躺着自转外，天王星的秘密还很多，比如科学家们发现，离太阳更近的天王星反而温度比海王星还低；与其他气态行星相比，天王星内部散发的热量异常的少；另外天王星的磁场也与众不同……

看到这里你是否也对天王星这颗不太寻常的行星充满兴趣呢？小编今天就暂时讲到这里，剩下的交给大家去探索吧！

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