On 3月13日的黑暗之夜，威廉·赫歇尔在他的庭院天文台沉淀在英格兰的浴室里，为观察星星的日常夜晚，当他注意到天空中的某些东西时。通过他自制的7英尺望远镜的目镜，他在星座上的一个监视器中窥探了一家演示者：“好奇，无论是模糊的明星，也许是一个彗星，”他记录了它。几周，他跟踪了未知的物体，监测其周围的稳定外观和圆形路径，直到毫无疑问是其真实身份。他发现了不是一个彗星，而是一个新的星球，远远超过任何其他地球。
作为一个政治上的精明的研究员，赫歇尔建议命名这个星球Georgium四都或者“乔治的明星”，以纪念乔治三世王。施工工作 - 他迅速被命名为国王的天文学家，并获得了皇家津贴 - 但他的同事反对。他们想要一个高贵和政治上立的名字，如乌兰尼亚，是天文学的希腊缪斯。最后，科学家们沉浸在更具尊严的“天王星”的古希腊神的天空和其他神灵的祖先。几个世纪的嘲笑随后。
不过实话说。天王星在土星距离的两倍左右的阳光下，因此亨德尔的发现会立即加倍已知的太阳系的大小。从现代的角度来看，很难欣赏这是多么令人震惊。当时，太阳系是唯一是唯一的图形区域;尚未有一个关于最近的星星的线索。实际上，亨德尔的整个已知宇宙的大小翻了一番。他还刷掉了古典天文学和占星术的最后痕迹。天王星通常被描述为自古以来发现的第一行星，但它更准确地说是第一个是第一个星球发现， 时期。所有其他人都可以随时可见肉眼，所以所有人都知道。天王星破坏了六个古典古典之外的行星的共同假设，建立了一个无休止的前沿的民主，通过科学和科学虚构来共鸣。
天王星和海王星的多云表面标有汹涌的风暴，并且在任何星球上录制的最快风。
这种气质是约翰霍普金斯大学应用物理实验室年轻的地貌学家Kirby Runyon日常生活的一部分，他正在开发新的方法来研究天王星和它的行星姐妹——海王星。像其他少数研究这两个遥远星球的人一样，他被太阳系最外层行星打破边界的特性迷住了。“让我进入太空科学专业的是一个机会，作为星际迷航“探索奇怪，新世界”说，“伦林说。“如果你喜欢裤子，Picard风格的探索，那么天王星和海王星必须在你的名单中排名很高。”
你不得不佩服鲁尼恩的激情。毕竟，谁会梦想去天王星或海王星的太空旅行呢?它们不像土星那样有明亮的光环，也不像火星那样有生命的前景。尽管如此，这两颗行星作为边缘世界仍然有着特殊的地位。它们在混沌中形成，形成于太阳系内部的行星部分和充满遥远彗星的外部区域之间的边界。在这个过渡地带，它们也呈现出过渡形态，其大小和组成介于木星这样的气体巨行星和地球这样的岩石行星之间。天文学家称这些中间的行星为“冰巨星”，现在他们发现，这种中等大小的行星在其他恒星周围非常常见。“在我们的太阳系中，海王星和天王星是与我们所知的人口最多的行星类型最接近的类星体，”海蒂·哈默尔说，她是一位研究外行星的资深研究员，目前在华盛顿特区的大学天文学研究协会工作
天王星和海王星本身也很奇怪。他们的多云表面标有汹涌的风暴，在任何星球上录制的最快风，而高于它们具有复杂的卫星系统，包括可能覆盖埋地的海洋的系统。然后，所有耻辱都越来越羞耻，只有一个宇宙飞船已经访问过他们 - 这是超过三十年前的。“他们是神仙的，因为他们是如此遥远，”哈米尔疯狂地说：“但他们是这种有趣的谜。”
l早在有人将火箭发射到地球大气层之外之前，天王星就已经在引导天文学家进行穿越太阳系甚至更远的虚拟航行了。在赫歇尔发现天王星后的几十年里，对天王星的观测表明它偏离了预期的围绕太阳的轨道。到了19世纪20年代，这种差异是不可否认的:要么是牛顿的引力理论是错误的，要么是天王星之外有什么物体把它拖离了轨道。科学历史学家罗伯特·w·史密斯(Robert W. Smith)写道:“在绝大多数，或许几乎所有天文学家看来，牛顿理论是这个世界不可撼动的真实体系。”1与此同时，天王星的发现已经证明了更多新世界的可能性。对物理法律的信仰决定，必须有另一个，看不见的星球。
这种信念在1846年9月23日得到了回报，德国天文学家约翰·戈特弗里德·加勒(Johann Gottfried galer)利用法国数学家乌尔本·勒维耶(Urbain Le Verrier)提供的计算结果，以一种跨国书呆子的姿态，发现了一颗新行星，距离其预测位置不到一度。精确定位其位置的轨道计算花费了数年时间;加勒用视觉搜索了整整一个小时。加勒建议将其命名为双面罗马神雅努斯(Janus)，暗示它是面向外的恒星。更为乐观的勒威耶对此表示反对。他写道:“‘双面神’意味着这颗行星是太阳系的最后一颗行星，但我们没有理由相信这一点。”2相反，他提出了海王星，海的上帝。
暗物质的概念实际上始于海王星，在看到之前有史以来一直发现的天体对象。
海王星的发现是作为天王星的变革性，但以一种完全不同的方式。天王星已经扩大了已知宇宙的规模。海王星扩大了我们可以了解它的手段。当加勒准确地看到了这个星球的牛顿方程表示应该是，他证明了天文学家可以单独通过重力探测天体。现在，他们可以追踪从未观察过的物体，甚至可能是如此黑暗或远离他们从根本上无法观察到。
现代宇宙学家使用术语“暗物质”来指的是看不见的弥撒，认为影响宇宙的星系的形成和结构;从这个意义上说，术语追溯到瑞士美宇宙学家Fritz Zwicky的1933篇论文。但是，暗物质的概念真正开始与海王星，在看见之前有史以来过的第一个天体对象。从那里，事情迅速升级。德国天文学家弗雷德里克贝塞尔一直在跟踪明星天狼星和浣熊的不稳定动作，并推断出他们这样的天王星被看不见的物体被拉脱课程。“无数可见恒星的存在可以证明没有无数隐形的东西，”贝塞尔于1844年写道。3.看不见的恒星听起来很矛盾，但海王星的发现使这个古怪的想法似乎更有道理了。那些黑暗伙伴的真实情况很快得到了证实;在20世纪10年代，这些物体被确定为白矮星，即像太阳一样的恒星的微弱、坍缩的残骸。在20世纪70年代，类似的探测工作导致我们发现了分散在银河系的黑洞。
在所有这些激动人心的时刻，天王星和海王星很大程度上被抛在了后面。它们在科学上默默无闻了一个半世纪，主要是因为它们太他妈的难研究了。天王星距离地球不到16亿英里，是火星的40倍;海王星还要远10亿英里。它在天空中的可视大小相当于从一英里外看到的一角硬币。19世纪末开始的深空摄影技术的发展极大地推动了对银河系的研究，并直接导致了无数其他星系的发现。然而，对于冰巨行星来说，这项新技术产生了相反的效果。当天文学家不再通过目镜而开始聚焦于摄影底片时，行星变得更加模糊。
“回到19世纪，早期观察者会看着天王星，看到乐队和其他功能，”哈姆布尔说。当空气变得稳定并且细节进入视野时，他们的眼睛训练了挑选出瞬息的时刻。拍摄和早期形式的数字成像无法捕获那些分裂的清晰度。相反，它们产生模糊，长曝光图像，提出了最外面的行星是平淡的和不变的。“时间的技术涂抹了一切，引起这种神话，天王星没有云特征，”哈米尔·莱姆森。“我们有一百多年的误解。”
后来，人类终于开发出了一种技术，可以近距离观察这些冰川巨人，而对它们的误解却不断出现。1986年1月24日，美国国家航空航天局(NASA)的旅行者2号(Voyager 2)突然掠过天王星的云顶，传回了一张又一张毫无特色的蓝绿色天体的照片。不幸的是，飞船抵达地球北半球时正值初夏，此时全球天气变得朦胧而乏味。旅行者2号的图像巩固了天王星是一颗无聊行星的观点——这一撞击仍然让哈梅尔感到痛苦。“就像是，‘让我给你看一张1986年某一天我的照片。’这并不能让你了解我是一个怎样的人，”她说。
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Voyager Flyby确实提供了暗示的提示，即天王星比迎接眼睛。该地球有一个薄，黑色的戒指系统，结果含有大块 - 可能是很久以前被摧毁的月亮的遗骸。更令人惊讶的是，Voyager的乐器表明，乌兰斯的磁场相对于其轴线倾斜60度，好像你的指南针指向休斯顿而不是北极。在行星内部必须有一个巨大的，不平衡的磁力发电机，这将留下哈姆米斯嗡嗡声的问题：“什么样的内部结构可以做到那还是它稳定吗？它随着时间的推移而变化吗？“
但冰巨人的声誉在1989年8月25日到达海王星2达到海王星之前并没有真正恢复。与其兄弟姐妹不同，海王星是一个活动的骚乱。它似乎盯着航天器，其暗点暗淡的斑点，一个反气旋风暴（逆转，高压眼睛）几乎与整个地球一样大。该点被甲烷冰的白色云带条纹，周围环绕着整个行星的较小的风暴和黑乐队，所有人都在海王星的气氛中致甲烷气体。美丽，复杂，而且不是无聊。
T“航行者”号的研究结果显示，冰质巨行星上的天气运行方式与地球上的不同，科学家们才刚刚开始解释其中的原因。美国宇航局戈达德太空飞行中心的天王星和海王星爱好者艾米·西蒙说:“当你离太阳更远时，风速会增加，这很奇怪。”在天王星上，它们的速度是每小时550英里，和喷气式飞机的巡航速度一样快。在海王星上，风更猛烈，平均每小时700英里，大黑点周围的风速为每小时1500英里。尽管海王星接收到的太阳热量只有地球的九十分之一，但它们还是能吸收到巨大的能量。
冰巨人上的季节也不同于地球或其他地方看到的任何东西。对于一件事，季节是极端的，特别是在天王星上：这个星球横向倾斜，所以它的杆子在永恒的阳光下花了一半的时间，另一半在整个黑暗中。对于另一个，季节需要很长时间才能改变，因为冰巨人沿着阳光旁的巨大懒散的路径。天王星需要84年才能完成一个轨道，海王星需要165年。海王星的北半球在1989年在航行员飞行时朝着冬天进入冬天。4春季将于2038年至2038年到达。冰巨人在太阳系中最快，最慢的气候，这使得它们可用作极端自然实验室。“我们经营着我们在地球上使用的同样的天气和气候教区，我们了解了不太正确的未知敏感性或细节，”西蒙说。“如果有一天我们想将这些代码应用于其他星星的行星，如果他们首先更好地完成整个太阳系的工作。”
天王星是倾斜的，所以它的两极有一半时间是在永恒的阳光下，另一半时间是在完全的黑暗中。
2014年，姗姗来迟地承认冰巨人天气的疯狂复杂性，美国宇航局绿色植物遗产遗产计划，或蛋白石，与西蒙有关;她光荣的官方冠军是行星大气研究的高级科学家。每年一次，蛋白石接管了哈勃太空望远镜，并将其转变为外星状气象卫星，在天王星和海王星（和木星和土星，良好的衡量标准）的监测条件，与西蒙作为行星惯例。
科学家们第一次有时间和清晰的视野来了解天王星和海王星的长期性格。当西蒙描述她在自己的行星上观察到的怪癖时，她矜持的举止亮了起来。由于天王星已经从北方的夏天发展到晚秋，它的天气已经从朦胧过渡到疯狂。“我们看到极地帽变得非常明亮和厚。我们看到了小风暴。它们往往分裂得非常快，大约在一个小时左右，因为大风把东西剪得非常快，”她说。这些变化表明，即使是太阳能的微小变化，也能改变一个几乎是地球四倍大的巨大行星的天气。
在海王星上，OPAL最重要的发现是，这种活动永远不会结束。“我们发现的最大的东西就是黑点。在我们几年的监测中，我们又看到了两个。我们刚开始的时候已经有一个了，几年之后就消失了。另一个形成于2019年。在它们形成后，黑点开始在纬度上漂移，就像地球上的飓风一样，直到最终分裂，”西蒙说。
它不清楚是什么维护所有这项活动。一个可能的解释，哈米尔笔记，即行星的超冷空气几乎是无摩擦的，因此让大型风暴系统进展很少。尽管在质量，组成和直径几乎相同，但两种重要的线索是两种冰巨头的表现得非常不同。“天王星和海王星根本看起来不太一样。我们在海王星上看到了更多的离散风暴，而不是在天王星上，我们看不到明亮的极地帽子，“西蒙说。
两种冰巨人内部的差距暗示。Voyager测量显示，海王星在从太阳收到的情况下发出2.7倍，显然从地层时留下了大量的能量。相比之下，天王星只是涓涓细流的额外温暖。“内部热量必须是推动天气的阳光，但我们仍然试图难题一些，”西蒙说。如果有的话，它增加了另一层神秘层：为什么海王星在领子下比天王星更热？一个假设是天王星与一个巨大的原始行星有近乎致命的遭遇，两次巨大的地球，大约45亿年前。碰撞可能已经将其击倒，解释其侧向倾斜，同时以允许其原始温暖的方式争抢其内部逃脱：两个主要奇怪的一个整洁解释。
“这是个好主意，但似乎有点做作，”西蒙说，又恢复了她慎重的语气。“每次我们认为我们了解这些行星，我们就会意识到我们并不了解。”
O通过在实验室中重建它们，NE方法可以了解冰巨人的内容是在他们的皮肤下。基于他们可以衡量和推断其整体构成的内容，行星科学家推导出天王星和海王星在内部的大量水，氨和甲烷必须含有大量的水，氨和甲烷。在日常生活中，我们称之为“Windex和天然气”组合。然而，在冰巨人内部，这些分子在一起融入了一个泥炭，即天文学家称为“冰” - 冰巨人术语。然而，最近的实验表明，它不像你见过的任何冰。
Dominik Kraus是德国罗斯托克大学的物理学家，领导了一群一群研究人员，他们一直在冰巨型材料的模拟钻头射击X射线激光器，加热和压制它以匹配行星内部的条件。他发现碳原子自发地脱离了它们的分子并将自己安排成钻石。在天王星和海王星内，这种钻石可以增长到一个人的大小，慢慢地朝着地球的核心下雨。钻石雨会释放能量并激发巨大的电流，可能解释天王星和海王星的不寻常的磁场。
在另一项研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的马略·米洛和他的同事们将水分子置于类似的极端条件下，发现水分子变成了以前从未见过的物质——“超音速冰”——一种热的、黑色的水晶体，也被称为“冰18”。这听起来很奇怪，但也许不应该。考虑到冰巨星内部有多少水，以及天文学家在其他恒星周围发现了多少冰巨星，超冰可能是宇宙中最常见的水形式。黑冰和钻石雨可能是常态;湖泊、河流和煤块可能是宇宙中的奇物。
另一种了解冰巨星的方法是观察它们的伙伴——围绕天王星和海王星运行的大型卫星系统。就像天王星本身一样，它的卫星也倾斜了98度。没有其他星球是这个方向的。显然，将地球撞翻的东西也带走了它的卫星。鲁尼恩说:“如果一次大的撞击使整个行星倾斜，那么天王星的赤道隆起所产生的过度引力也会将其整个卫星系统拉到它的一边。”
海王星的卫星记录了一场完全不同的灾难，它挽救了这颗行星，但却在其周围引发了混乱。海王星的卫星系统被一个巨大的卫星——海卫一(Triton)所主宰，它被13个小得多的天体所包围，这些天体大多在不规则的环形轨道上运行。海卫一以顺时针方向绕着海王星旋转，与其他所有行星和主要卫星相反，这表明它是单独形成的，后来被海王星捕获。当这种情况发生时，它一定像保龄球一样在海王星系统中滚动，正如鲁尼恩解释的那样:“海王星的引力相互作用可能分散了海王星最初的卫星系统。如果有光环，也会把它们驱散。”现在的卫星要么是从残骸中重新组装起来的，要么是后来被捕获的。海卫一还留下了一组薄而块状的环，这些环以弧形聚集在一起，这与太阳系中任何其他的形成方式都不同。
在天王星和海王星内部，钻石可以长到一个人的大小，如雨点般落向行星的核心。
20世纪80年代，“旅行者2号”(Voyager 2)近距离探测揭开了这两颗巨大的冰系卫星的神秘面纱。天王星的五个主要卫星显示出古老的裂缝、波纹和火山流动的迹象——所有这些都是由冻结的水和其他冰而不是岩石组成的。其中最大的两个，Ariel和Titania，似乎已经在地质上活跃了很长一段时间。最小的，米兰达，是一堆杂乱的结构，看起来像一个粗心的孩子拼在一起的拼图;没人知道它是怎么变成那样的。但真正的奇迹是海卫一，一个地质上年轻的世界，就像一个哈密瓜，它的表面由水氨熔岩的“冰冻火山”喷发雕刻而成。海卫一还点缀着活跃的间歇泉，可能是由地下氮的爆炸融霜造成的。令执行任务的科学家们惊讶的是，“旅行者2号”发回的照片显示，乌黑的烟柱射入5英里的空中，并尾随数百英里。
海卫一大致上与冥王星相似，但在许多方面，它是这两颗行星中更狂野、更令人兴奋的一颗(并不是一直在抱怨这颗矮行星，但事实就是事实)。它比冥王星大约15%，更重要的是，它的地质活动更活跃，液态水在地下流动。没错:太阳系中最冷、最遥远的行星周围的一颗卫星包含着巨大的地下海洋。“海卫一正在与海王星交换引力能，所以它的内部温暖而粘稠，”鲁尼恩说。“在地球上，生物喜欢温暖、粘稠的地方。如果你把地球上的微生物放在温暖而粘稠的海卫一中，它们可能会生存下来并繁殖。这增加了一种可能性，因为我们不知道物质是如何从无生命变成生命的，特里同可能是一个宜居和有人居住的世界。”
他不是说外星人，介意你。他只是在那里说可以是外星人。
DESPITE所有这些见解，我们在很多方面仍然在握手阶段了解冰巨人。蛋白石计划每年观看行星不到一天。Voyager 2仅收集了有关地球的组成和内部结构的有限信息。捕蝇窗发生了如此之快地，航天器只看到了乌兰安和海洋卫星的一侧。“整个整体未探索的其他一半。我们不知道哈克在近地区发生了什么，“西蒙说。
对于更深层次熟悉的渴望甚至更为急剧，天文学家将天王星和海王星识别为全球银河系中数十亿相似世界的原型。现在，这些外产行星周围的行星 - 是真正的章程。天文学家可以推断他们的尺寸，群众，密度，而且不用其他。尽管如此，这足以告诉他们中的许多人似乎略微萎缩的海王星版本，具有厚重，有毒的环境。其他人，只是一个小的小点，似乎是岩石的“超级地球”。没有人知道为什么这个分界线存在，或者超地球是否可居住。就此而言，没有人知道像Triton这样的海洋卫星是否可以支持生活。当你处理冰巨人时，你习惯了三个字的口头禅：我们不知道。
这句话解释了为什么鲁尼恩刚刚作为海王星奥德赛项目的科学家完成了一轮紧张的工作，这是nasa提出的旗舰任务，即数十亿美元，该任务将对海王星和海卫一进行扩展调查，同时向海王星的大气层投下探测器。这项技术的存在是为了进行这样一次雄心勃勃的探险。就连美国国家科学院(National Academy of Sciences)冷静的分析人士也认为，一个巨大的冰川任务是一个高度优先的科学任务。不幸的是，这类项目不断被否决。今年早些时候，美国国家航空航天局(NASA)差点就批准了“三叉戟”(Trident)计划，这是一项前往特里同(Triton)的简化任务，但却放弃了它，转而支持一对前往金星的探测器。
问题的一大部分是等待。它乘坐旅行者2岁的时间达到海王星。如果三叉戟已被批准，它将在2038年到2038年达到目的地 - 甚至那么，它就会寄回另一个快照。如果你想学习冰巨人，你必须适应他们的做事的步伐。没有一名研究人员将持续到足够长的时间来见证天王星的一个全季节季节，这在海王星上少得多。这位冰巨人的最后一次使命发生在32年前，并且现实地，下一个不太可能到20世纪40年代最早到达;这不可避免地将成为一种多代生命。海蒂·哈梅尔（海王星年龄0.37岁）已经在这一直持续到，她在很大程度上已经在很大程度上搬到了行政工作。“这是痛心地说，科里，但我有种不这样做天文学了，”她承认。但她鼓励她看到柯比漫游等人（一个坦率0.21海王星数年）进入这个领域。
直到某人邀请经线驱动器等，没有办法克服时间的障碍。前进的唯一道路是将极端的耐心作为迫使未知的成本或快乐。在他发现天王星之后，Herschel解释说这不是运气但坚持不懈地将这个星球带到视野中。“我检查了天堂的每一颗星，”他写道。那天晚上1781年是天王星“转被发现。“也许现在是冰巨人的转向真正知道，在他们所有的奇怪和精彩的荣耀中。
科里·s·鲍威尔是一名科学编辑、作家和冰巨人爱好者，住在纽约布鲁克林。他和比尔·奈(Bill Nye)共同主持了《科学规则》播客。
参考文献
1.《剑桥网络的行动:海王星的发现》。伊西斯80，395-422（1989）。
2.科勒斯特罗姆，N.海王星的命名。天文历史与遗产杂志12.，66-71（2009）。
3.贝塞尔，F.从1844年8月10日的贝塞尔教授，日期Kronigsberg的一封信中的译文中的提取物。论普罗逊和天狼星的适当运动的变化。《皇家天文学会月刊》6, 136 - 141(1844)。
4.天王星和海王星上的春分和二至。英国天文协会杂志107.332(1997)。
铅图像：美国宇航局/科学可视化工作室/汤姆布里奇曼
