科學(xué)時光機 | 天王星是怎么被發(fā)現(xiàn)的？

天王星是人類歷史上首顆借助望遠鏡觀測到的行星，這一發(fā)現(xiàn)歸功于被譽為“恒星天文學(xué)奠基者”的英國杰出天文學(xué)家弗里德里希·威廉·赫歇爾。1781年3月13日，赫歇爾在家中的庭院內(nèi)利用望遠鏡進行天文探索，意外地捕捉到了天王星這一神秘天體的身影。

當天夜晚，赫歇爾被天空中一個前所未有的明亮光點吸引，他初步推測這可能是一顆新發(fā)現(xiàn)的彗星。然而，隨著后續(xù)觀測的深入與數(shù)據(jù)的積累，赫歇爾敏銳地察覺到該光點的運行軌跡與已知的彗星軌道大相徑庭，經(jīng)過嚴謹?shù)姆治雠c比對，赫歇爾最終得出結(jié)論：這個獨特的光點并非彗星，而是太陽系中一顆全新的行星。該行星被命名為天王星。

從“地心說”到“日心說”

自古以來，人類對宇宙的探索的腳步從未停止。以太陽系探索為例，早在遠古時期，人類便已認識到水星、金星、火星、木星和土星等主要行星的存在。古希臘天文學(xué)家托勒密的地心說理論提出，太陽及這五顆行星圍繞地球旋轉(zhuǎn)。至15世紀，天文學(xué)家哥白尼提出了日心說，指出水星、金星、地球、火星、木星和土星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。

自日心說提出至18世紀工業(yè)革命時期，天文學(xué)界逐漸形成共識，認為太陽系僅包含六顆行星：水星、金星、地球、火星、木星和土星。然而，天文學(xué)家對太陽系其他行星的探索并未停止。

在赫歇爾之前，已有科學(xué)家觀測到天王星，但誤將其視為恒星。盡管這些科學(xué)家的認知與實際情況存在偏差，但他們的發(fā)現(xiàn)為赫歇爾后續(xù)探索天王星奠定了基礎(chǔ)。1690年，天文學(xué)家弗蘭斯蒂德在望遠鏡中觀測到天王星，受限于觀測手段，將其誤認為金牛座的恒星。1750年至1759年間，法國天文學(xué)家對天王星進行了至少12次觀測，雖未確認其為太陽系第七大行星，但為赫歇爾提供了寶貴的觀測線索和參考資料。

第一顆用望遠鏡發(fā)現(xiàn)的行星

弗里德里?！ねず招獱?738年在德國出生，于1758年遷居英國。出身于音樂世家，但命運卻為他鋪設(shè)了一條更加璀璨的天文之路。他的父親不僅精通音樂的奧秘，更是一位對星空充滿無限熱愛的天文迷。在父親的熏陶下，赫歇爾從小就對天文產(chǎn)生了濃厚的興趣，那些夜空中的星座，對他來說就像老朋友一樣熟悉。

在研究音樂理論時，赫歇爾偶然間接觸到了一部科學(xué)著作——《光學(xué)》。這部經(jīng)典之作不僅詳細闡述了望遠鏡與顯微鏡的制作原理，更有一章專門討論了“望遠鏡對恒星的發(fā)現(xiàn)”，這些內(nèi)容如同一把鑰匙，打開了赫歇爾探索宇宙奧秘的大門，激發(fā)了他觀測與研究天體的強烈愿望。

自古以來，人類對宇宙的好奇和探索從未停歇，赫歇爾也不例外。1773年，他讀到了《對牛頓爵士的原理的天文學(xué)解釋》一書，書中描繪的那些遙遠而神秘的天體，讓他心生向往。為了親眼看清書中所描述的那些天體，他開始了自己的天文觀測。起初，他使用的是折射式望遠鏡，但效果并不理想。為了找到更適合自己探索宇宙的工具，他決定嘗試反射式望遠鏡。

從1774年至1787年，赫歇爾不斷嘗試自己制造望遠鏡，他逐步掌握了拋物面反射鏡的磨制技術(shù)，并成功安裝了多架反射式望遠鏡。為了提升聚光效率，減少折射光損失，他設(shè)計了一套獨特的光學(xué)系統(tǒng)，被譽為“赫歇爾望遠鏡”。通過這一自創(chuàng)工具，他首次成功觀測到獵戶座大星云，并清晰辨識出土星的光環(huán)。自此以后，他不僅在夜晚不知疲倦地進行巡天觀測，還常常在白天時間專注于磨制望遠鏡鏡面。

1781年3月13日的夜晚，赫歇爾像往常一樣，手持15cm口徑反射望遠鏡仰望著浩瀚的星空。當他的目光轉(zhuǎn)向雙子座時，一顆陌生而明亮的星星吸引了他的注意。他翻閱了所有的星圖，卻找不到這顆星星的蹤跡。于是，他換上了更高倍數(shù)的目鏡，400多倍、900多倍……經(jīng)過仔細觀測，他確信這不是一顆普通的恒星。因為，無論望遠鏡的倍率如何增加，那顆星星藍綠色的輪廓始終清晰如初。為了謹慎起見，天文學(xué)家赫歇爾沒有急于宣布這一發(fā)現(xiàn)，而是連續(xù)十個夜晚密切關(guān)注著這顆神秘的小星球。漸漸地，他注意到這顆星球每天都在以幾乎難以察覺的速度緩緩移動。

經(jīng)過一段時間的耐心觀測，赫歇爾利用收集到的數(shù)據(jù)，精心計算出這顆星球的運行軌道，發(fā)現(xiàn)它幾乎是一個完美的圓形，而且距離太陽的距離竟是土星的兩倍之遙。這時，他意識到自己可能發(fā)現(xiàn)了一顆全新的行星。隨著更多觀測數(shù)據(jù)的積累，天文界終于確認了這一驚人發(fā)現(xiàn)：太陽系中確實存在著一顆新的行星，它與太陽的距離比當時已知最遠的土星還要遠一倍。

赫歇爾發(fā)現(xiàn)新行星的消息迅速引起了轟動。為了紀念這一偉大發(fā)現(xiàn)，這顆新行星被命名為“天王星”，來源于希臘神話中土星父神的名字。

天王星的形成與演化

天王星的形成歷史可追溯至太陽系誕生初期，約46億年前。當時，一團龐大的氣體與塵埃云在引力作用下開始坍縮，最終形成了原始太陽。伴隨這一過程，剩余物質(zhì)圍繞太陽旋轉(zhuǎn)并逐漸積聚，其中一部分物質(zhì)可能凝聚成了天王星。

在天王星的形成階段，極端溫度和壓力觸發(fā)了內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成了高密度氣體，主要包括氫、氦及甲烷，這些氣體構(gòu)成了其大氣層。天王星大氣層之所以呈現(xiàn)獨特的藍色，歸因于甲烷氣體對太陽光的特定吸收與散射效應(yīng)。

天王星內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，據(jù)推測擁有一個巖石核心，外圍被厚冰層包裹，冰層中可能含有水、氨及甲烷等化合物。此外，天王星的磁場極為特殊，磁極與自轉(zhuǎn)軸的傾斜角度超過90度，呈現(xiàn)出近乎“橫臥”的狀態(tài)。

歷經(jīng)漫長的演化歷程，天王星經(jīng)歷了多次重大事件?？赡茉馐苓^大型天體的撞擊，這些撞擊事件對其自轉(zhuǎn)軸傾斜及磁場形態(tài)產(chǎn)生了深遠影響。同時，天王星大氣層也經(jīng)歷了顯著變化，形成了復(fù)雜的云系與風(fēng)暴系統(tǒng)，其中最為顯著的是一個直徑長達25000千米、已持續(xù)存在數(shù)十年的巨大風(fēng)暴——“大藍斑”。

參考來源：中華網(wǎng)、科普中國、央視網(wǎng)