天王星和海王星(天王星和海王星属于什么行星)

为什么天王星和海王星不一样？

为什么天王星和海王星是不同的？

这两个处于太阳系最外层的巨型行星有着相似的质量但他们也同样有着显著的差异。苏黎世大学NCCR PlanetS的研究者们发现了这个长期未知的谜的解释：两个不同的巨行星撞击可能带来完全不同的影响。

图解：NASA/JPL旅行者2号拍摄：左图天王星右图海王星

天王星和海王星是太阳系最外侧的两颗行星。 它们的大小，可能的元素组成以及与太阳之间的远距离，都使得它们十分相似，并且明显不同于类地行星以及巨大的气体行星木星和土星。 “不过，这两个行星之间也存在明显的差异，等待人类找到原因。”Christian Reinhardt说。他和Alice Chau，Joachim Stadel以及Ravit Helled都是苏黎世大学计算研究所工作的PlanetS小组成员，一起研究天王星和海王星。 “例如，天王星及其主要卫星在太阳系平面的倾斜角约97度，并且天王星围绕太阳逆向旋转。” Joachim Stadel解释说。

另外，天王星和海王星的卫星系统也不同。 天王星的主要卫星都处于同一平面的规则轨道上，并且倾斜角与天王星一致，这表明它们类似于地球和月球，从一个碟状天体形成。 相反，海王星最大的卫星海卫一的轨道平面与海王星及其其它行星相较非常倾斜，因此很可能是被行星捕获的外界天体。 最后，它们的热通量和内部结构也可能有很大不同。

相似的形成方式–不同的碰撞

“通常假设这两个行星的形成方式十分相似，” Alice Chau解释道。 这很容易解释它们极其相似的质量、公转轨道与太阳的平均距离以及可能成分。 但是他们的差异从何而来？ 由于撞击在行星系统的形成和早期演化中很普遍，人们设想是一次巨大的撞击导致了这两颗天体分开并各自演化。但是先前的工作要么只调查天王星曾发生的撞击，要么由于碰撞模型计算的极简化而受到限制。

天王星和海王星的形成：来源：Reinhardt & Helled, ICS，苏黎世大学

苏黎世大学科研团队首次用高分辨率计算机模拟两颗行星间不同程度不同形式的碰撞。从非常类似于的撞击前的天王星和海王星开始，他们表明一个相当于1~3个地球质量的物体在这两个行星上的撞击可以解释这种二分法。对于天王星，边缘的轻擦碰撞会使行星倾斜但不会影响其内部结构。

而另一方面，对海王星实行正面撞击会严重影响其内部结构但不会形成磁盘，因此与大型卫星在正常轨道上的运行缺陷相一致。这种会重新混合内部深层结构的碰撞据观测是由更强烈的海王星热流所支持的。“我们清晰地认识到，最初与天王星和海王星相似的形成方式会导致我们观测到的神奇的外行星的属性中的二分法的发生”，Ravit Helled总结到，未来NASA和ESA对这两个星球的研究任务会提供新的更为关键类似情况下的线索，提高我们对太阳系的了解程度，并且让我们更好地理解在这个规模内的外行星。

相关知识

天王星（来自古希腊神话中天空之神乌拉诺斯的拉丁文名字Ūranus）是太阳系的第七颗行星。它是太阳系中半径第三大行星、质量第四大行星。天王星的成分与海王星相似，两者的化学成分都与天然气巨行星木星和土星不同。因此，科学家经常将天王星和海王星归为“冰巨行星”，以区别于天然气巨行星。天王星的大气主要成分是氢和氦，与木星和土星类似，但它含有更多的“冰”，由水，氨和甲烷组成，以及其他可探测的碳氢化合物。它是太阳系中大气最冷的行星，最低温度只有49 K（-224°C; -371°F），并且具有复杂的云层结构，其中水处在最低的云层里，最高的云层由甲烷组成。天王星的内部主要由冰和岩石组成。

海王星是太阳系八大行星中距太阳最远的行星。在太阳系中，它是直径第四大、质量第三大巨型行星。海王星的质量约是地球的17倍，比其近乎双生的天王星还要大。海王星的体积虽比天王星小，但由于海王星密度较大，其的质量更大，也因此会引起更大的重力压缩。海王星绕太阳公转一次为164.8年，平均距离为30.1 au（45亿公里; 28亿英里）。它以罗马海神命名，天文学符号为♆，即海神的三叉戟。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3.Barbara Vonarburg-hakunamatata，栗子味，年若彷徨

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研究表明：海王星离太阳比天王星要远的多！但是海王星却更热

众所周知，我们太阳系的八大行星是按照轨道的排列顺序进行排列，根据距离由远及近依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，也就是说，离太阳越近，它所受到的太阳系照射热量就越多，相应也就越热，这是万古不变的真理。换句话说，最远的海王星，它的平均温度应该低于轨道比它还近的天王星，但是事实再次刷新了我们对宇宙的认识：海王星竟然比天王星还要热！

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如果有朋友看过物理学家布莱恩·考克斯的关于海王星的介绍时，你会发现除了剧烈的风暴之外，海王星的神秘温度也成为了太阳系的神秘之谜！按照表面来说，这显然不科学，但是行星的存在必然是科学的，因此唯一的真相必然来自海王星本身！也就是说冰巨星海王星内部发生了一些神秘而有趣的事情导致它的温度高于天王星。

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不过在探讨这个问题之前，我们必须给这些行星定义“温度”的标准，尤其气体巨星。由于海王星是一颗巨大的气体行星，所以我们无法像在地球固体表面那样测量地球表面的平均温度。相反，由于海王星的核心可能很小，因此温度测量必须在一个高度进行。

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这些由智利甚大望远镜(VLT)拍摄的热图像揭示了海王星一个炎热的南极区域。来自加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的行星科学家迈克尔·王(Michael Wong)介绍了测量过程，他们测量了海王星最外层的温度，在这个过程中，我们发现海王星的实际温度并不比天王星高多少，实际上它们的温度是一样的，海王星仅仅只高了一点点。但是由于海王星距离太阳更远，所以受到的太阳光照较少，所以不应该出现这种情况。

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这种温度上的相似性表明，与从太阳吸收的热量相比，海王星释放的热量更大。而从旅行者号的测量结果显示，海王星释放的热量是太阳吸收热量的两倍多，而天王星则不然。这种差异再次引起了科学家的兴趣！这时候如果你认为引起科学家兴趣的是海王星，那你就错了，实际上是天王星！这是因为海王星在这种情况下并不罕见。研究显示木星和土星释放的热量几乎是它们吸收热量的两倍，但天王星没有，这反而说明了天王星是个古怪的存在。

当你离太阳越远，这种温度的变化表明，木星自身是最温暖的气态巨星，其次是土星，然后是海王星。天王星是一个特殊的存在不过科学家解释，这一不寻常的结果与天王星没有强大的内部热源有关。而海王星有着一个炽热的内热源，其核心的温度约7000℃，和大多数已知的行星相似，而天王星除了从太阳收集的热量外，无法产生任何额外的热量。

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什么是内热源呢？简单地说，它是太阳系诞生时这些行星形成时所遗留下来的热量。这些热量从原始的太阳星云中收缩出来，这种效应被称为“开尔文-亥姆霍兹收缩”，是恒星在自引力作用下的收缩过程。同理，海王星以及木星和土星上额外的热源同样来自于引力收缩。当行星缓慢地引力收缩时，向内下落的物质将其势能转化为热能，然后向上释放出行星的表面。但是问题来了，为什么天王星形成的时候没有强大的内热源呢？

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到目前为止，没有明确的证据表明为什么天王星没有太多的内部热源。但是一定有什么东西阻碍了天王星的这一进程，也许是由于在其早期历史上的一次碰撞，使这颗行星发生了侧翻，也许它生来运气不好诸如此类的猜测。

科学家还提出了一种可能性是，星球内部热量不是以稳定的速度从内部释放出来，而是以“断断续续”的方式进来，就像打嗝。我们可能只是恰好看到天王星处于静止期，而海王星最近才开始打嗝。星球打嗝是对流现象，它是一种离散事件，但我们并不确定它是否以这种方式工作，除非我们看到这些对流事件发生，否认这只能是猜测。

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不过科学家可以肯定的一个事实是，行星辐射出的热量总量主要取决于它的年龄，以及释放热量的快慢。像是相对而言，一个更古老的星球会更冷，同时它们释放的速度取决于内部结构和组成、云层、对流等，因此相当复杂。在气态巨行星上可能有大量的氦雨，改变了释放的热量。对于天王星和海王星来说，它们可能是不同的年龄，或者更有可能的是，将天王星翻转过来的事件打乱了它的内部结构，导致了它释放热量过快，所以海王星的温度赶上了它。你认为呢？

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天王星海王星都比地球大得多，其卫星却还没月球大，月亮成因待解

太阳系中的天王星和海王星都属于气态行星中的冰巨星，体积和质量都比地球大得多，天王星的体积是地球的65倍，质量是地球的14.5倍，海王星的体积是地球的58倍，质量是地球的17倍。

而且它们的卫星数量也比地球多得多，地球只有月球一颗卫星，然而天王星有30多个卫星，海王星有十多颗卫星。但是如果比较这些卫星的体积的话，那么会让人很诧异，因为这三颗行星中的卫星以地球的卫星月球为最大。

在太阳系所有的卫星中，月球的质量可以排到第五，比它大的卫星只有木卫三，土卫六，木卫四和木卫一，这四颗卫星都是木星和土星这样的气态巨行星的卫星，天王星和海王星的卫星中质量最大的是海卫一，但是它在太阳系卫星中只能排名第七，体积比月球小了1/3，然而质量却还不到月球的1/3，要知道天王星和海王星都比地球大得多，所以不得不说，地球和月球是一对神奇的存在，那为什么天王星和海王星的卫星反倒不如地球的卫星更大呢？

如果你了解卫星的形成原因，那么这个问题也就好解答一些了，行星卫星的形成主要有三种途径，一种就是将路过的天体捕获，一种是和行星一起形成，还有一种就是自身出去形成的。

科学家认为，天王星和海王星的卫星大部分都是捕获路过的天体，另有一部分是自身的星环形成的卫星，这样的卫星相对于行星的质量通常都比较小，这两大行星的所有卫星中，以海卫一比较特殊，它的质量远超天王星和海王星的其它卫星，在这两大行星的卫星中排第二位的天卫五还不到海卫一的1/200，那么海卫一一是怎么来的呢？科学家们大都认为它是海王星捕获的柯伊伯带天体，虽然海卫一质量比较大，但是它的质量也只有海王星的1/4500，相对来说海王星的引力场还是比较容易捕获它的。

但是月球就不一样了，月球的体积是地球的1/49，质量是地球的1/81，这样的比例在整个太阳系中都独一无二，因为八大行星中除了月球和地球之外，卫星与行星比例最大的就是海卫一和海王星了，然而它们的比例还不到1/4500，月球和地球的质量比却达到了1/81，所以天文学家们认为月球存在于地球的附近十分不可理解。

其实月球的形成至今还是个没有完全破解的谜，不过大多数科学家都认为月球是地球在经历了一次大碰撞之后形成的，这个说法被称为月球的撞击形成说，该说法认为，在地球刚形成不久时，有一个像火星那么大的星球撞击了地球，由于撞击的角度比较倾斜，所以这次撞击不仅改变了地球的自转状态，还将地球的地壳撞出去了一部分，当然，前来撞击的余星球也被撞掉了一大部分，这些被撞击出去的物质大部分都没有跑远，它们在地球的引力之下形成了围绕地球运行的行星环，然而由于物质的分布并不均匀，其中最大的一团就形成了原始的月球，它不断地吸收其他的星核物质，自身的质量也越来越大，让他把地球外围的行星环全部吞噬殆尽后，它也就成了地球的唯一卫星了。不过这种说法虽然很合理但还是一种假说，月亮的成因还是待解之谜。

这样的方式形成的卫星，通常质量可以比较大，另一种卫星比较大的情况就是行星和卫星一起形成，不过这种情况十分少见，而且两个天体的距离特别远才行，因为两个天体距离比较近的话，在一起运行的过程中常会受到其他因素的干扰影响而最终撞到一起，那么卫星也就很难存在了，因此科学家们大多认为月球很可能是地球遭到其他星体的撞击形成的，所以它与地球的比例才能远超其他卫星与行星的比例。

宇宙深处，天王星和海王星，你不知道的秘密

天王星和海王星是太阳系的冰巨行星，二者虽有许多相似之处，但也存在惊人的不同。天文学家花了很长时间试图弄清楚它们的特殊性来自何处，现在他们认为一切源自两次不同的大碰撞。

天王星和海王星（图源：wjbaike）

这项发表在《皇家天文学会月刊》上的研究调查了宇宙碰撞如何将这些行星分离。天文学家知道，天王星绕轨道运行必定会发生重大碰撞，但尚未对海王星进行此项研究。两颗行星的总成分，大小和质量都差不多，但海王星比天王星重约18％。

该研究的第一作者克里斯蒂安·莱因哈特（Christian Reinhardt）来自苏黎世大学，他在一份声明中表示：“但是，这两个行星之间存在的惊人差异需要加以解释。”

像月球一样，天王星也有一组绕其周期性运行的卫星，这些卫星形成一个吸积盘，似乎与从太阳接收的能量处于平衡状态，天王星自转轴倾斜角度高达97度，这使其在行星中独一无二。另一方面，海王星则是从围绕其轨道绕行的星体中，通过重力作用捕获了最大的卫星——海卫一。海王星的其他卫星也是通过重力作用捕获，它们形状不规则，并且似乎具有内部热源。

天王星及其卫星（图源：wjbaike）

海王星及其卫星（图源：wjbaike）

在这项研究中，行星科学家进行了模拟试验，以测试撞击如何使初始相似的冰巨行星与众不同。天王星和海王星都受到一个行星质量是地球质量的1-3倍的行星撞击，碰撞在恒星系统的形成中相当普遍。但是，关键的区别在于如何碰撞。

研究人员称，斜向撞击是天王星形成的最好解释，因为撞击会将星体送入轨道，然后聚集形成卫星。对于海王星来说，碰撞很可能是从正面发生，并改变了其内部结构。

苏黎世大学的共同作者拉维特·黑尔（Ravit Helled）解释说：“我们清楚地表明，最初与天王星和海王星相似的形成途径可能导致令人着迷的外行星特性上的不同。”

1986年和1989年，旅行者2号探测器太空探测时，人类曾观察过这两颗冰巨行星。新的任务可以帮助完善这些模型，并向我们详细介绍这两个星球如何变成今天的样子。

天王星：天王星（古希腊语为οanρανός）是太阳系中的第七大行星，距太阳的平均距离为29亿公里，被认为是类似木星的外行星。它由威廉·赫歇尔（Wilhelm Herschel）于1781年3月13日发现，并以希腊天空之神Uranos命名。它是唯一一颗以希腊众神之神命名的行星。

天王星（图源：wjbaike)

这颗气体行星的直径超过51,000公里，大约是地球直径的四倍，其体积大约是地球的65倍。就质量而言，天王星与海王星相当，天王星的质量仅次于海王星，在太阳系中排第四，约是地球质量的14倍。天王星的直径大于海王星，在太阳系中排第三，仅次于木星和土星。由于内部有冰，天王星和海王星也被称为“冰巨星”。

天王星的天文学符号（⛢）类似于火星符号（♂）。不同的是，天王星符号的圆具有中心点，圆上的箭头是垂直的。另一个天王星符号（♅）主要用于占星学。

只有极佳条件下，才能看到天王星。从地球上看可以用望远镜观察到天王星宽约3.5英寸的浅绿色光环。秋冬季是观察天王星的最好时机。2018年，天王星冲日发生在10月24日，一年移动4到5天。

海王星:海王星是太阳系中距太阳最近的第八大行星。它是一个冰巨行星，因为它的外层有氢气、氦气、甲烷、氨气和水。这一层下面是一层厚厚的由化学冰构成的地幔和一小块岩石物质的地核。海王星大气层的风暴比天王星的要猛烈得多，风速高达每小时1250英里(每小时2000公里)。海王星是颗蓝色星球。

海王星（图源：wjbaike)

1989年旅行者2号飞越木星时，海王星南半球有一个巨大的黑点，可以与木星上的大红斑相媲美。由于海王星离太阳距离远，其云顶的温度通常接近- 210°C(- 346°F)，这是太阳系中最低温度之一。海王星的中心温度约为7000°C(13000°F)，比太阳表面还要热。这是由于海王星中心存在高温气体和岩石。海王星于1846年9月23日被发现，因其是第一颗基于数学预测而非常规观测而被发现的行星而闻名。

天王星轨道的扰动使天文学家推断出海王星的存在。1989年8月25日，“旅行者2号”宇宙飞船飞越了木星。2003年，美国国家航空和航天局(NASA)的“视野任务研究”(Vision mission Studies)计划实施一项“海王星轨道探测器”(Neptune Orbiter with Probes)任务，在没有以裂变为基础的电力或推进的情况下进行卡西尼级科学研究。这项工作是与喷气推进实验室和加州理工学院共同完成的。

作者: Alfredo Carpineti

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