深邃的夜空中，约有6000颗星是我们肉眼可见的。其中，水星、金星、火星、木星、土星在星座间穿行，它们的运动激发了人们的想象和探索。
太阳系行星家族（图源：《知识就是力量》杂志）
随着地球也被列为行星，在望远镜帮助下，天王星和海王星这两颗气态冰巨星也先后被人们探测到，太阳系行星家族正式“团圆”。
太阳系行星家族（图源：《知识就是力量》杂志）
那么，这两颗距离我们最远的气态冰巨星——天王星、海王星又有多少秘密？就让我们走近这两颗行星，解开太阳系“天”涯“海”角背后的谜团。
行星的诞生
太阳系所有天体都起源于同一团物质，这一团物质中的绝大部分由于质量引力坍缩到中心形成太阳，剩余部分形成前行星盘（在原太阳或恒星周围的气体尘埃盘），行星和卫星等天体在其中诞生。
太阳系（图源：千库网）
前行星盘上距离太阳近的区域温度高，易挥发物质难以生存。金属、岩石这些固体物质也在经年累月的运动中，逐渐黏合形成石块乃至更大的星子。星子之间发生碰撞、合并，在太阳系内部“组装”成类地行星，即水星、金星、地球、火星。
而在远离太阳的低温区域，水、甲烷等易挥发物质以冰雪的状态存在，前行星盘中更大的星子结合形成大质量的行星核，迅速吸附大量气体，形成巨行星。离太阳稍近处是木星和土星，稍远处的行星含有更多冰雪类物质，即天王星和海王星。
变幻莫测的大气层
由于天王星、海王星与地球相距遥远，截至目前，只有旅行者2号探测器分别在1986年和1989年近距离飞越过它们。它们的大小、自转、大气、磁场等信息，多是由地面望远镜和哈勃空间望远镜、斯皮策太空望远镜、韦布空间望远镜获得的。而旅行者2号探测器获取的数据，至今仍在被天文学家发掘、研究。
青蓝行星之谜
浓厚的大气层是人们对天王星和海王星的第一印象。它们的大气都是太阳系形成早期从前行星盘中吸积的，成分主要是氢（约占80%）、氦（约占10%）以及更少的甲烷（约占2%）等气体，还包括氨、水、碳氢化合物的水合物等冰质成分。
旅行者2号探测器于20世纪80年代拍摄的天王星(左)、海王星(右）（图源：《知识就是力量》杂志）
甲烷吸收红光，反射蓝光，因此天王星和海王星都呈现暗淡的青蓝色，同时，由于天王星有较多的雾，大气层浑浊且甲烷含量稍低，颜色偏青色；而海王星雾较少，大气层清澈，则更偏蓝色。
天王星“躺平”的一生
不同于木星上空规模巨大的云带和气旋，旅行者2号探测器拍摄到的天王星安静平和，但随着它接近两分点（春分或秋分），大气活动显著增强——高纬度区域会出现约250米/秒的强风。并且天王星几乎是“躺”在它的公转轨道上运动，这也意味着天王星上大部分区域交替经历漫长的极夜和极昼，大气活动有强烈的季节性变化。
天王星（图源：《知识就是力量》杂志）
海王星的神秘云层
海王星外层的大气是太阳系最寒冷的地方之一，平均温度约为零下214摄氏度。相对于天王星，它的大气也更活跃，旅行者2号探测器在其南半球发现的风暴结构——大暗斑能放得下整个地球，风速高达700米/秒左右。
海王星（图源：《知识就是力量》杂志）
然而，两年后哈勃空间望远镜探测到大暗斑消失了。又过了两年，哈勃空间望远镜发现其北半球出现了一个较小的暗斑。
这些忽隐忽现的暗斑结构反映了海王星上空云层（由氨、硫化氢等形成）的活动，而驱动这些云层运动的能量，则是海王星内部持续向外释放的热能。
海王星云层的神秘不止于此。人们还发现海王星的云层变化与太阳活动周期有关，太阳活动增强时，云层会消失；太阳耀斑爆发时，太阳风将带电粒子吹向宇宙空间，影响行星的磁场。海王星的云层与太阳活动的关联，也显示磁场在云层演化中的作用。
天王星、海王星的磁场与自转轴情况
（图源：《知识就是力量》杂志）
偏斜的磁场
天王星和海王星的磁场由其幔层中金属氢形成的电流所产生，但与地球、木星等位于行星中心、与行星自转轴同方向的偶极磁场不同，天王星与海王星的偶极磁场方向分别偏离自转轴约59度和47度，并且都偏离行星中心达到行星半径的55%和31%。太阳风粒子在这既偏又歪的磁场的引导下，与两颗行星的行星环系统产生了复杂的相互作用。
结构精细的环
目前已知天王星和海王星分别有28颗和16颗卫星，普遍又小又黑，难以观测。只有海王星的卫星——海卫一是个例外，它又大（直径相当于月球的80%）又白（反照率高达0.76），因而在发现海王星17天后就被发现。
不同于土星环的壮丽夺目，天王星和海王星的环暗淡、狭窄、稀薄。1977年才第一次通过掩星方法（指一个天体在另一个天体与观测者之间通过而产生的遮蔽现象）确认了天王星的环，其后利用掩星方法寻找海王星环的数次尝试都失败了，直到旅行者2号探测器飞越时才确认海王星也有行星环。
海王星和海王星的环
（图源：《知识就是力量》杂志）
天王星和海王星的行星环由微小的颗粒组成，在太阳辐射和相互碰撞的作用下，会在空间弥散而逐渐消失。但天王星和海王星都存在一些特别窄的环。
有天文学家提出，这些窄环可以由所谓的“牧羊犬卫星”（指那些在巨型行星的环两侧的小型卫星）维持，随即这一机制被观测所证实。另外，天王星和海王星的某些环不是完整连续的，而是沿着轨道形成几段高密度的弧段，这些弧段的维持机制至今仍然是个谜。
“牧羊犬卫星”维持窄环示意图
（图源：《知识就是力量》杂志）
天王星与海王星处于遥远的太空，由地球出发的航天器需要10年左右的飞行时间才能到达。目前，我国天文学家正在紧锣密鼓地深入探讨太阳系边界（包括天王星和海王星）探测计划，希望不久的将来，中国的深空探测器能率先闯进这两颗行星神秘的领地，进一步拓展人类的视野，为我们解开更多的谜团。
撰文 | 周礼勇
责任编辑 | 王佳璇、段阳阳
运营编辑 | 段阳阳
质量审核 | 业蕾
❖ 文章来源：《知识就是力量》杂志
《太阳系的“天”涯“海”角——天王星与海王星》 ❖
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