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天王星的衞星

概述

天王星是太陽系的第7顆行星，截至2024年2月，人類一共發現28顆天王星的衞星，所有衞星均以威廉·莎士比亞或亞歷山大·波普著作中的角色命名[1]。威廉·赫歇爾於1787年發現了天衞三和天衞四兩顆衞星，另外3顆近球體衞星中的天衞一和天衞二是於1851年由威廉·拉塞爾發現，天衞五則是在1948年由傑拉德·凱伯發現[1]。這5顆衞星都擁有行星質量，一旦脫離天王星軌道，直接圍繞太陽運行，就可以歸類成矮行星。其它22顆衞星都是在1985年以後發現的，部分來自航行者2號的發現，還有部分是先進地面望遠鏡的功勞[2][3]。

天王星及其最大的6顆衞星的相對大小和位置。從左至右分別為：天王星、天衞十五、天衞五、天衞一、天衞二、天衞三和天衞四

天王星的衞星可以分成三類：13個內衞星，5顆主群衞星和9顆不規則衞星。內衞星是暗黑色的小天體，與天王星環的性質和源起相同。5顆主群衞星的質量都大到足以實現流體靜力平衡，其中4顆衞星的地表有跡象顯示內部有驅動形成峽谷和火山噴發等的地質活動[3]。5顆主群衞星中最大的是天衞三，其直徑有1578公里，是太陽系的第8大衞星，質量相當於月球的5%。天王星的不規則衞星大部分都以逆行軌道運行，軌道的離心率和傾角都很高，距離天王星很遠。[2]

發現

發現天王星6年後，威廉·赫歇爾爵士於1787年1月11日發現了天衞三和天衞四，這也是人類最早發現的天王星衞星。之後，赫歇爾認為自己已經發現了多達6顆衞星，還有可能發現了一個行星環。在近50年的時間裏，只有他的儀器能夠觀測到這些衞星[4]。到了19世紀40年代，觀測儀器的改進以及天王星在天空中更佳的觀測位置使得人類得以偶爾發現除天衞三和天衞四外其它天王星衞星的蹤影。1851年，威廉·拉塞爾發現了天衞一和天衞二[5]。在相當長的一段時間裏，天王星衞星的羅馬數碼編號方案都沒能穩定下來，赫歇爾把天衞三和天衞四分別以羅馬數碼II和IV編號，而拉塞爾則將這兩顆衞星分別編號為I和II），人們在究竟採用誰的方案上猶豫不決[6]。一直到天衞一和天衞二的存在確定，拉塞爾將4顆衞星根據與天王星的距離從近到遠按I到IV編號，這個問題才得到了解決[7]。1852年，赫歇爾爵士的兒子約翰·赫歇爾為當時已知的這4顆衞星起了名[8]。

之後近一個世紀的時間裏，人類都沒能發現天王星擁有其它衞星。1948年，傑拉德·凱伯在麥克唐納天文台發現了天衞五，這也是五大主群衞星中發現時間最晚、並且質量最小的一顆[8][9]。數十年後，航行者2號太空探測器於1986年1月從天王星附近掠過，發現了另外10顆內衞星[3]。此外還有一顆天衞二十五則要到1999年人類重新對航行者2號拍攝的老照片進行研究後才被發現[10][11]。

天王星在很長一段時間裏都是最後一顆沒有任何已知不規則衞星的氣體巨行星，這種情況一直持續到1997年，人類用地面望遠鏡發現9顆距離遙遠的不規則衞星時止[2]。2003年，人類通過哈勃太空望遠鏡發現了另外兩顆內衞星，分別是天衞二十七和天衞二十六[12]。天衞二十三是截至2012年人類發現的最後一顆天王星衞星，其詳細資訊於2003年10月公佈[13]。

不存在的衞星

1787年發現天衞三和天衞四後，赫歇爾認為自己又發現了另外4顆衞星，其中1790年1月18日和2月9日各發現一顆，1794年2月28日和3月26日各發現一顆。人們由此在之後幾十年的時間裏普遍認為天王星擁有6顆衞星組成的衞星系統，但之後發現的這4顆衞星始終未能得到其他天文學家的確認。拉塞爾於1851年發現了天衞一和天衞二，但這仍然無法證實赫歇爾的發現，因為天衞一和天衞二的軌道特性與赫歇爾記錄的4顆衞星都存在差異，並且赫歇爾當年如果能在天衞三和天衞四旁邊發現其他任何衞星的話，他也一定會發現天衞一和天衞二。赫歇爾聲稱發現的4顆衞星的軌道週期分別是5.89天（在天衞三以內）、10.96天（位於天衞三和天衞四之間）、38.08天和107.69天（處在天衞四以外）[14]。由此天文學界達成共識，赫歇爾之後聲稱發現的4顆衞星並不存在，估計他是把天王星附近光芒黯淡的恆星誤以為是衞星，因此發現天衞一和天衞二就屬於拉塞爾的功勞[15]。

命名

主條目：衞星的命名

1851年，已經發現的天王星衞星達到4顆，這4顆均在1852年獲得命名。作為天王星發現者的兒子，約翰·赫歇爾獲得了為這些衞星命名的榮譽。約翰並沒有像其他行星的命名方式那樣採用希臘神話中的名稱，而是選擇了英語文學中的魔法角色：天衞三的名字「Titania」和天衞四的名字「Oberon」都是來自威廉·莎士比亞喜劇《仲夏夜之夢》中的仙女，天衞一的「Ariel」和天衞二的「Umbriel」則源於亞歷山大·波普的《奪髮記》（The Rape of the Lock），並且「Ariel」還是莎士比亞劇作《暴風雨》中的精靈。用這些精靈來命名可能是出於對天王星（Uranus）作為天空和空氣之神的考量，其周圍理應有天上精靈和仙女的守護。[16]

之後發現的衞星沒有繼續按天空中的精靈這一趨勢來命名，只有天衞十五（Puck）和天衞二十六（Mab）例外。1949年，第5顆衞星天衞五是由發現人傑拉德·凱伯命名，他選擇的是《暴風雨》中的凡人角色「米蘭達」（Miranda）。目前，國際天文聯會在給天王星衞星命名時的實際做法是選擇莎士比亞戲劇和《奪髮記》中的人名。起初，所有外圈衞星的名字都是源於《暴風雨》，一直到為天衞二十三命名時止，其名稱「瑪格麗特」（Margaret）源於《無事生非》[8]。

 
天王星衞星的質量對比。其中下方的紫色代表天衞三，左邊的淺藍色代表天衞四，右邊的紅色代表天衞一，綠色代表天衞二，正上方的少量藍色部分代表天衞五。除去這5顆衞星外，其它所有衞星的總和是最上方的少量橙色部分，佔總質量不到0.1%，在縮略圖下幾乎無法辨別
  • 《奪髮記》（亞歷山大·波普）：
    • 天衞一（Ariel）、天衞二（Umbriel）、天衞十四（Belinda）
  • 威廉·莎士比亞戲劇：
    • 《仲夏夜之夢》：天衞三（Titania）、天衞四（Oberon）、天衞十五（Puck）
    • 《暴風雨》：天衞一（Ariel）、天衞五（Miranda）、天衞十六（Caliban）、天衞十七（Sycorax）、天衞十八（Prospero）、天衞十九（Setebos）、天衞二十（Stephano）、天衞二十一（Trinculo）、天衞二十二（Francisco）、天衞二十四（Ferdinand）
    • 《李爾王》：天衞六（Cordelia）
    • 《哈姆雷特》：天衞七（Ophelia）
    • 《馴悍記》：天衞八（Bianca）
    • 《特洛伊羅斯與克瑞西達》：天衞九（Cressida）
    • 《奧賽羅》：天衞十（Desdemona）
    • 《羅密歐與朱麗葉》：天衞十一（Juliet）、天衞二十六（Mab）
    • 《威尼斯商人》：天衞十二（Portia）
    • 《皆大歡喜》：天衞十三（Rosalind）
    • 《無事生非》：天衞二十三（Margaret）
    • 《冬天的故事》：天衞二十五（Perdita）
    • 《雅典的泰門》：天衞二十七（Cupid）

有一些小行星的名稱和天王星的衞星相同：小行星171（Ophelia）、歌女星（Bianca）、小行星593（Titania）、小行星666（Desdemona）、丘比特（Cupido）和小行星2758（Cordelia）。

特徵和衞星群

 
天王星衞星環系統示意圖

天王星的衞星系統在所有氣體巨行星中是質量最小的一個，5顆最大衞星的質量總和也不到海衞一的一半，而海衞一的質量在太陽系所有衞星中也只能排到第7位[注 1]。天王星最大的衞星是天衞三，半徑約為788.9公里[18]，不到月球的一半，但略大於土星第二大衞星土衞五，因此天衞三也就成為太陽系中的第八大衞星。天王星的質量則相當於其所有衞星總和的1萬倍[注 2]。

內衞星

參見：內衞星和天王星環

截至2013年，天王星已知擁有13顆內衞星[12]，這些衞星的軌道都位於天衞五的內側。所有內衞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衞星的碎片組成[19]。天衞六和天衞七是最靠近天王星的兩顆衞星，並且也是天王星環中ε環的牧羊人衞星，而天衞二十六則是最外側μ環的來源[12]。

天衞十五的直徑有162公里，是天王星最大的內衞星，也是唯一一個由航行者2號拍下清晰照片的內衞星。天衞十五和天衞二十六是距離天王星最遠的內衞星。所有的內衞星都是暗天體，其幾何反照率不超過10%[20]。這些衞星是由沾染有黑暗物質的冰組成，這些黑暗物質有可能是經受過輻射的有機物[21]。

質量較小的內衞星之間經常會出現微擾，整個衞星系統情況混亂，並且顯然很不穩定。模擬結果表明，這些衞星可能會因彼此間的微擾引起軌道交叉，最終導致衞星相撞[12]。未來1億年內，天衞十有可能會與天衞九或天衞十一相撞[22]。

 
天王星最大的5顆衞星尺寸和亮度的對比，從左至右（按與天王星的距離從近到遠排列）分別為：天衞五、天衞一、天衞二、天衞三和天衞四

主群衞星

天王星擁有5顆主群衞星，按與天王星的距離從近到遠排列分別是：天衞五、天衞一、天衞二、天衞三和天衞四。其中天衞五直徑最小，為472公里，天衞三最大，有1578公里[18]。這5顆衞星相對而言都是暗天體，其幾何反照率範圍在30%至50%之間，而球面反照率則在10%到23%之間[20]。天衞二是其中最黑暗的一顆衞星，天衞一則是最亮的一顆。5顆衞星的質量中也是天衞五最小，為6.7 × 1019千克，天衞三則以3.5 × 1021千克再度領跑，作為參照，月亮的質量約為7.5 × 1022千克[23]。現代科學對於天王星五大主群衞星的形成有兩種不同看法，一種是在吸積盤中形成，這個吸積盤形成後還在天王星周圍存在了一段時間；另一種可能則是天王星存在早期受到過強烈的衝撞，進而形成了這5顆衞星[24][25]。

 
天王星某一顆主群衞星夏季天空中太陽移動的路徑藝術想像圖，假設這顆衞星與天王星的軸線傾角一致

天衞五主要由冰構成，另外4顆主群衞星中的岩石和冰含量基本相同[26]。冰的成分有可能包括氨和二氧化碳[27]。所有主群衞星的表面都佈滿了隕石坑，並且除天衞二以外的4顆衞星都表現出因內部力量導致表面地形重塑的跡象，例如天衞五的表面就存在卵形的冕狀物結構[3]。這些冕狀物很可能是因地表以下的熱物質上湧而形成[28]。天衞一表面的隕石坑最少，看起來最為年輕，天衞二上的隕石坑最多[3]。天衞五和天衞二之間存在3:1的軌道共振，天衞一和天衞三之間也有4:1的軌道共振，科學家估計正是這些共振導致天衞五和天衞一的熱活動頻繁，進而產生大量內源性地質活動[29][30]。天衞五距離天王星的距離非常近，但其軌道傾角卻異常之高，有4.34°，這有可能正是因過去存在的軌道共振導致[31][32]。天王星最大的衞星內部可能存在差異，其核心可能是由岩石構成，周圍由冰質地幔環繞[26]。天衞三和天衞四的核心和地幔邊界處可能存在液態水構成的海洋[26]。天王星的主群衞星都是沒有空氣的天體，例如天衞三所擁有的大氣層氣壓就不超過10至20納巴[33]。

 
天王星五大主群衞星的運行軌道（綠色）

天王星及其主群衞星夏至時（指相應星球上的夏至日）太陽在天空中的移動路徑與太陽系內其他大部分行星和衞星存在很大不同。主群衞星的轉軸傾角幾乎和天王星完全相同[3]。太陽將在天空中以圓形路徑圍繞天王星的天級移動，最近時距天極的位置還差7度[注 3]。接近赤道時，太陽的位置近於正北或正南（視季節而定）。如果所處位置緯度高於7°，那麼太陽將在天空中以直徑接近15度的圓形軌跡移動，並且永遠都不會出現日落[3]。

 
上圖描述的是天王星不規則衞星的軌道。黃色線條是近心點到遠心點的位置和距離，線條與Y軸的傾角代表軌道離心率。X軸上方是順行衞星，下方是逆行衞星，其上的數碼單位是Gm，其下的百分數則是占希爾球半徑的比例

不規則衞星

參見：不規則衞星

天王星已知擁有9顆不規則衞星，這些衞星距行星的距離要遠大於天衞四。所有的不規則衞星都很可能是在天王星形成後不久捕獲的天體。左側的圖表標明了已發現不規則衞星的軌道。X軸上方是順行衞星，下方是逆行衞星。天王星的希爾球約為7300萬公里[2]。

天王星的不規則衞星中最小的是天衞二十一，直徑僅18公里，最大的天衞十七則有150公里。與木星的不規則衞星不同，天王星不規則衞星的自轉軸線和軌道傾角之間沒有關聯。這些逆行衞星可以根據自轉軸或軌道離心率分成兩組。比較接近天王星的一組（a<0.15rH）分別是天衞二十二、天衞十六、天衞二十和天衞二十一，其軌道離心率約在中等水平（約為0.2）。另一組距天王星距離更遠（a>0.15rH），軌道離心率也更大（約0.5），分別是天衞十七、天衞十八、天衞十九和天衞二十四[2]。

由於古在機制的影響，60°到140°的中等軌道傾角範圍內沒有已知衞星的存在。在這個不穩定的區域裏，衞星到達遠心點時會受太陽微擾的影響形成離心率很大的軌道，導致同其它衞星相撞或是被拋出天王星系。這個區域內如果存在衞星，其壽命大概會在1千萬至10億年之間[2]。

天衞二十三是天王星已知的唯一一顆不規則順行衞星，目前這顆衞星的軌道離心率之高超過太陽系的其它任何衞星，不過海王星的衞星海衞二擁有更高的平均軌道離心率。2008年時，天衞二十三的軌道離心率為0.7979[34]。

列表

圖例

內衞星
 †
主群衞星
 ‡
不規則衞星（逆行） 		°
不規則衞星（順行）

以下列表中列出了天王星的所有已知衞星，默認按軌道週期從短到長排列。所有質量大到其表面足以塌縮形成類球面的衞星會以淺藍背景色標出，並且其名稱會用加粗字體顯示。逆行不規則衞星則用以深灰色顯示。天衞二十三是天王星已知唯一擁有順行軌道的不規則衞星中，在下表中以淺灰色顯示。

天王星的衞星
順序
[注 4] 		發現順序
[注 5] 		名稱 原名
（發音） 		圖像 尺寸
（km）[注 6] 		質量
（×1018 kg）[注 7] 		半長軸
（km）[35] 		軌道週期
（天）[35][注 8] 		軌道傾角
（°）[35] 		離心率
[36] 		發現年份[1] 發現者
[1]
1 VI 天衞六 Cordelia
（/kɔːrˈdiːliə/）		 40 ± 6
(50 × 36)		 0.044 49770 0.335034 0.08479° 0.00026 1986 特里爾
（航行者2號）
2 VII 天衞七 Ophelia
（/oʊˈfiːliə/）		 43 ± 8
(54 × 38)		 0.053 53790 0.376400 0.1036° 0.00992 1986 特里爾
（航行者2號）
3 VIII 天衞八 Bianca
（/biˈɑːŋkə/）		 51 ± 4
(64 × 46)		 0.092 59170 0.434579 0.193° 0.00092 1986 史密斯
（航行者2號）
4 IX 天衞九 Cressida
（/ˈkrɛsədə/）		 80 ± 4
(92 × 74)		 0.34 61780 0.463570 0.006° 0.00036 1986 賽諾特
（航行者2號）
5 X 天衞十 Desdemona
（/ˌdɛzdəˈmoʊnə/）		 64 ± 8
(90 × 54)		 0.18 62680 0.473650 0.11125° 0.00013 1986 賽諾特
（航行者2號）
6 XI 天衞十一 Juliet
（/ˈdʒuːliət/）		 94 ± 8
(150 × 74)		 0.56 64350 0.493065 0.065° 0.00066 1986 賽諾特
（航行者2號）
7 XII 天衞十二 Portia
（/ˈpɔːrʃə/）		 135 ± 8
(156 × 126)		 1.70 66090 0.513196 0.059° 0.00005 1986 賽諾特
（航行者2號）
8 XIII 天衞十三 Rosalind
（/ˈrɒzələnd/）		 72 ± 12 0.25 69940 0.558460 0.279° 0.00011 1986 賽諾特
（航行者2號）
9 XXVII 天衞二十七 Cupid
（/ˈkjuːpəd/）		 ≈ 18 0.0038 74800 0.618 0.1° 0.0013 2003 肖沃爾特和
利斯奧爾
10 XIV 天衞十四 Belinda
（/bəˈlɪndə/）
 
 90 ± 16
(128 × 64)		 0.49 75260 0.623527 0.031° 0.00007 1986 賽諾特
（航行者2號）
11 XXV 天衞二十五 Perdita
（/ˈpɜːrdətə/）		 30 ± 6 0.018 76400 0.638 0.0° 0.0012 1999 卡考斯卡
(航行者2號)
12 XV 天衞十五 Puck
（/ˈpʌk/）
 
 162 ± 4 2.90 86010 0.761833 0.3192° 0.00012 1985 賽諾特
（航行者2號）
13 XXVI 天衞二十六 Mab
（/ˈmæb/）		 ≈ 25 0.01 97700 0.923 0.1335° 0.0025 2003 肖沃爾特和
利斯奧爾
14 V †天衞五 Miranda
（/məˈrændə/）
 
 471.6 ± 1.4
(481×468×466)		 65.9±7.5 129390 1.413479 4.232° 0.0013 1948 凱伯
15 I †天衞一 Ariel
（/ˈɛəriɛl/）
 
 1157.8±1.2
(1162×1156×1155)		 1353±120 191020 2.520379 0.260° 0.0012 1851 拉塞爾
16 II †天衞二 Umbriel
（/ˈʌmbriəl/）
 
 1169.4±5.6 1172±135 266300 4.144177 0.205° 0.0039 1851 拉塞爾
17 III †天衞三 Titania
（/təˈtɑːniə/）
 
 1576.8±1.2 3527±90 435910 8.705872 0.340° 0.0011 1787 赫歇爾
18 IV †天衞四 Oberon
（/ˈoʊbərɒn/）
 
 1522.8±5.2 3014±75 583520 13.463239 0.058° 0.0014 1787 赫歇爾
19 XXII ‡天衞二十二 Francisco
（/frænˈsɪskoʊ/）		 ≈ 22 0.0072 4276000 −266.56 147.459° 0.1459 2003 霍爾曼等人
20 XVI ‡天衞十六 Caliban
（/ˈkælɪbæn/）		 ≈ 72 0.25 7230000 −579.50 139.885° 0.1587 1997 格萊德曼等人
21 XX ‡天衞二十 Stephano
（/ˈstɛfənoʊ/）		 ≈ 32 0.022 8002000 −676.50 141.873° 0.2292 1999 格萊德曼等人
22 XXI ‡天衞二十一 Trinculo
（/ˈtrɪŋkjʊloʊ/）		 ≈ 18 0.0039 8571000 −758.10 166.252° 0.2200 2001 霍爾曼等人
23 XVII ‡天衞十七 Sycorax
（/ˈsɪkəræks/）		 ≈ 150 2.30 12179000 −1283.4 152.456° 0.5224 1997 尼科爾森等人
24 XXIII ° 天衞二十三 Margaret
（/ˈmɑːrɡərət/）		 ≈ 20 0.0054 14345000 1694.8 51.455° 0.6608 2003 謝潑德和
朱維特
25 XVIII ‡天衞十八 Prospero
（/ˈprɒspəroʊ/）		 ≈ 50 0.085 16418000 −1992.8 146.017° 0.4448 1999 霍爾曼等人
26 XIX ‡天衞十九 Setebos
（/ˈsɛtɛbʌs/）		 ≈ 48 0.075 17459000 −2202.3 145.883° 0.5914 1999 卡沃拉爾斯等人
27 XXIV ‡天衞二十四 Ferdinand
（/ˈfɜːrdənænd/）		 ≈ 20 0.0054 20900000 −2823.4 167.346° 0.3682 2003 霍爾曼等人

來源：美國太空總署和國家太空科學數據中心[35]，謝潑德等人的著作[2]。新近發現的外圈不規則衞星以天然衞星星曆服務的軌道數據最為準確[34]。這些不規則衞星的軌道受到太陽的嚴重干擾[2]。

參見

註釋說明

  1. ^ 海衞一的質量約為2.14 × 1022千克[17]，而天王星所有衞星的質量總和約為0.92 × 1022千克。
  2. ^ 天王星的質量約為8.681 × 1025千克，所有衞星的總質量約為0.92 × 1022千克。
  3. ^ 天王星的轉軸傾角為97°。[3]
  4. ^ 這一列的排序是根據各衞星與天王星之間的平均距離由近至遠排列。
  5. ^ 這一列採用羅馬數碼表明各衞星發現的時間順序[1]。
  6. ^ 部分不是球形的行星會用類似於「60×40×34」這樣的多個數碼來表示其三條軸線上的長度，如果類似球形，則會用一個數碼表示，這個數碼就是其直徑。天衞五、天衞一、天衞二和天衞四的尺寸數據來源於[18]；天衞三的直徑數據來源於 [33]。除天衞二十七和天衞二十六的尺寸和半徑數據源於[12]外，其它內衞星的尺寸和半徑數據都來源於[10]。外圈衞星的半徑數據都源於[2]。
  7. ^ 天衞五、天衞一、天衞二、天衞三和天衞四的質量數據來源於[23]，另外22顆衞星的質量數據都是根據已知半徑按假定平均密度每立方厘米1.3克來計算。
  8. ^ 軌道週期為負數代表這是一顆逆行衞星（前進方向與行星自轉方向相反）。

參考資料

太陽系

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Planet and Satellite Names and Discoverers. Gazetteer of Planetary Nomenclature. USGS Astrogeology. 2006-07-21 [2014-08-04]. （原始內容存檔於2014-07-28）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Sheppard, S. S.; Jewitt, D.; Kleyna, J. An Ultradeep Survey for Irregular Satellites of Uranus: Limits to Completeness. The Astronomical Journal. 2005, 129: 518. doi:10.1086/426329. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Smith, B. A.; Soderblom, L. A.; Beebe, A.; Bliss, D.; Boyce, J. M.; Brahic, A.; Briggs, G. A.; Brown, R. H.; Collins, S. A. Voyager 2 in the Uranian System: Imaging Science Results. Science. 4 July 1986, 233 (4759): 43–64. Bibcode:1986Sci...233...43S. PMID 17812889. doi:10.1126/science.233.4759.43. 
  4. ^ Herschel, John. On the Satellites of Uranus. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1834, 3 (5): 35–36. Bibcode:1834MNRAS...3Q..35H. 
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