O1781年3月13日的一个漆黑的夜晚，威廉·赫歇尔(William Herschel)在他位于英国巴斯(Bath)的花园天文台安顿下来，准备进行一个例行的观星之夜，这时他发现天空中有什么东西不对劲。通过他自制的7英尺望远镜的目镜，他在双子座发现了一颗闯入者:“一颗奇怪的，要么是星云，要么是彗星，”他记录道。几个星期以来，他一直在跟踪这个未知的物体，观察它稳定的外观和围绕太阳的圆形路径，直到确定它的真实身份。他发现的不是一颗彗星，而是一颗新行星，比其他行星都要遥远得多。
赫歇尔在政治上很精明，他提议给这颗行星命名Georgium Sidus.，或“乔治之星”，以纪念英王乔治三世。这个策略奏效了——他很快被任命为国王的天文学家，并获得了皇家津贴——但他在英国以外的同事反对。他们想要一个高贵的、政治上中立的名字，就像希腊天文学的缪斯一样。最后，科学家们选定了更为尊贵的“天王星”，即古希腊的天空之神和其他诸神的祖先。几个世纪的窃笑随之而来。
但说真的。天王星绕太阳运行的距离是土星的两倍，因此赫歇尔的发现立即使已知太阳系的大小增加了一倍。从现代的角度来看，很难理解这是多么令人震惊。当时，太阳系是唯一一个绘制太空地图的区域；没有人知道星星离我们有多远，甚至最近的星星也不知道。实际上，赫歇尔将整个已知宇宙的大小增加了一倍。他还抹去了古典天文学和占星术的最后痕迹。天王星通常被描述为古代以来发现的第一颗行星，但更准确地说，它是第一颗被发现的行星发现期。其他的一切都可以用肉眼看到，所以大家都知道。天王星打破了人们的普遍假设，即除了这六个经典的行星，没有其他行星了，建立了一种无穷无尽的前沿精神，至今仍在科学和科幻小说中引起共鸣。
天王星和海王星多云的表面有着狂暴的风暴和任何行星上记录的最快的风。
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令人着迷地奇怪。它们的多云表面有肆虐的风暴和任何行星上记录的最快的风，而在它们的高空有着复杂的卫星系统，包括那些可能藏匿着海洋的卫星。因此，更让人感到羞愧的是，只有一艘宇宙飞船访问过它们，而这些卫星是地球上最快的风“它们是谜，因为它们离我们很远，”哈默尔渴望地说，“但它们是如此迷人的谜。”
L在任何人在地球大气层上方戳火箭之前，天王星已经通过太阳系及更远地指挥天文学家在虚拟航行中。在赫歇尔发现之后的几十年中，天王星的观察表明它偏离了太阳周围的预期轨道。在1820年代，差异是不可否认的：无论是牛顿的重心理论都是错误的，或者在天王星之外有一些物体，在课程中拖着它。“牛顿理论似乎大多数，也许几乎所有人，天文学家都是世界的坚不可摧的真实系统，”科学历史学家罗伯特W.史密斯写道。1.与此同时，天王星的发现已经证明了存在更多新世界的可能性。对物理定律的信念决定了，一定还有另一颗看不见的行星在那里。
这一信念于1846年9月23日偿还，当时德国天文学家约翰·戈特弗里德·普雷维尔（Urbain Le Verrier提供的计算，在跨国书呆子Comity-察觉出一个低于其预测位置的新地球的行动中。针对其位置的轨道计算需要数年时间;Galle的视觉搜索全球所有一小时。加勒建议将其双面罗马神的Janus命名为Janus，这意味着它朝向星星面对面。更乐观的Le Verrier反对。“Janus将表明这个星球是太阳系的最后一个，没有理由相信，”他写道。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“暗物质”一词来指代那些被认为影响宇宙中星系的形成和结构的不可见物质;从这个意义上说，这个词可以追溯到1933年瑞士裔美国宇宙学家弗里茨·兹威基的一篇论文。但暗物质的概念真正开始于海王星，它是第一个被发现之前就被发现的天体。从那以后，事态迅速升级。德国天文学家弗雷德里克·贝塞尔一直在追踪明亮恒星天狼星和南河龙星的不稳定运动，并推断它们和天王星一样，被看不见的物体拉离了轨道。贝塞尔在1844年写道:“无数可见恒星的存在无法证明无数不可见恒星的存在。”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。
海王星把这一切都抛在身后。他们在科学的默默无闻中煎熬了一个半世纪，主要是因为他们太难学习了。天王星从未出现在距离地球16亿英里的范围内，距离是火星的40倍；海王星还远10亿英里。它在天空中的外观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促进了对我们星系的研究，并直接导致了无数其他星系的发现。然而，对于冰巨星来说，新技术产生了相反的效果。当天文学家停止通过目镜观察并开始聚焦在照相底片上时，行星变得更加模糊。
“回到19世纪，早期的观察者会观察天王星，看到带和其他特征，”哈默尔说。他们的眼睛经过训练，能够识别出空气变得稳定、细微细节出现在视野中的瞬间。摄影和早期的数字成像无法捕捉到这些瞬间的清晰。相反，他们得到的是模糊的、长时间曝光的图像，表明最外层的行星是平淡而不变的。哈默尔哀叹道:“当时的科技抹黑了一切，导致了天王星没有云层特征的神话。”“我们被误解了100年。”
最后，人类终于开发出了一种技术，可以近距离观察这些冰巨人……而误解却不断出现。1986年1月24日，美国宇航局的旅行者2号俯冲到天王星的云顶，传回了一张又一张没有任何特征的蓝绿色球体的照片。不幸的是，宇宙飞船在夏初到达了地球的北半球，当时全球天气变得朦胧而平淡。旅行者2号的图像巩固了天王星是一颗无聊星球的想法——这一打击至今仍让哈默尔感到痛苦。她说：“这就像‘让我给你看一张1986年某一天我长得什么样子的照片’，这并不能让你理解我是一个人。”。
旅行者号的飞行确实暗示了天王星有更多的东西。这颗行星有一个由薄而暗的光环组成的系统，这些光环中含有大块的物质，可能是很久以前被摧毁的一颗月球的残骸。更令人惊讶的是，旅行者号的仪器显示，天王星的磁场相对于其轴线倾斜60度，就好像你的指南针指向休斯顿而不是北极。地球内部一定有一个巨大的、不平衡的磁发电机在转动，这让哈默尔充满了疑问：“什么样的内部结构能起作用？”那个还是它稳定吗？它随着时间的推移而变化吗？“
但直到1989年8月25日旅行者2号到达海王星，冰巨星的名声才真正恢复。不像它的兄弟，海王星是一个活跃的骚乱。它似乎正用它的大黑点(一个反气旋风暴，有一个高压眼)回望着宇宙飞船，这个反气旋风暴几乎有整个地球那么大。“斑点”上布满了由甲烷冰构成的白色云层，周围环绕着小风暴和环绕整个行星的暗带，海王星大气中的甲烷气体将所有这些都染成了丰富的深蓝色。美丽，复杂，而且一点也不无聊。
T旅行者号的研究结果显示，冰河巨人的天气运行方式与地球上的不同，原因科学家们才刚刚开始了解。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：“风速随着离太阳越远而增加，这很奇怪。”。在天王星上，它们以550英里/小时的速度飞行，速度与以巡航速度飞行的喷气式飞机一样快。在海王星上，风更猛烈，平均时速700英里，围绕着大黑点狂风达到1500英里。尽管海王星接收到的太阳热量仅为地球的1/900，但它们仍能收集到巨大的能量。
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.春天要到2038年才会到来。冰巨星拥有太阳系中最快和最慢的气候，这使得它们可以作为极端的自然实验室。西蒙说:“我们使用与地球上相同的天气和气候代码，我们了解到不太正确的未知敏感性或细节。”“如果有一天我们想把这些代码应用到其他恒星周围的行星上，它们最好先在我们整个太阳系中工作。”
天王星是倾斜的，所以它的两极有一半的时间在永久的阳光下，另一半的时间在完全的黑暗中。
2014年，美国航天局（NASA）在承认冰巨星上的天气异常复杂的情况下，为外层行星大气遗产计划（简称OPAL）增光，由西蒙负责；她光荣的官方头衔是行星大气研究高级科学家。OPAL每年接管哈勃太空望远镜一次，并将其转变为外层行星wea这颗卫星监测天王星和海王星（以及木星和土星）的状况，西蒙是行星际天气预报员。
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。
目前还不清楚是什么维持了这些活动。哈默尔指出，一种可能的解释是，行星上的超冷空气几乎没有摩擦，所以只需很小的冲击力就能让大风暴系统运行起来。一个重要的线索是，尽管这两颗冰巨星的质量、组成和直径几乎相同，但它们的行为却非常不同。“天王星和海王星看起来一点也不像。我们在海王星上看到的离散风暴比在天王星上看到的要多得多，而且我们没有看到太多明亮的极冠，”西蒙说。
这种差异暗示了这两颗冰巨星内部的明显差异。旅行者号的测量显示，海王星释放的热量是它从太阳接收到的热量的2.7倍，显然从它形成时就保留了大量的能量。相比之下，天王星只会散发一点额外的温暖。“在影响天气方面，内热肯定是比阳光更重要的因素，但我们仍在试图找出其中的一些问题，”西蒙说。如果有的话，它又增加了一层神秘:为什么海王星比天王星更热?一种假设是，大约45亿年前，天王星与一颗体积是地球两倍的巨大原行星发生了一次近乎致命的碰撞。碰撞可能把它撞翻了，解释了它侧向倾斜的原因，同时它的内部被打乱，使原始的热量得以逃逸:这是对两大奇怪现象的一个整洁的解释。
“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了解更多关于冰巨兽的新方法是深入到它们的皮肤下，在实验室里再造它们。行星科学家根据他们所能测量和推断出的它们的整体组成，推断出天王星和海王星的内部一定含有大量的水、氨和甲烷。在日常生活中，我们把这种组合称为“Windex和天然气”。然而，在冰巨星内部，这些分子混合在一起形成了一种雪状物，天文学家通常称之为“冰”——因此才有了“冰巨星”这个术语。然而，最近的实验表明，它与你所见过的任何冰都不一样。
德国罗斯托克大学(University of Rostock)的物理学家多米尼克•克劳斯(Dominik Kraus)领导了一组研究人员，他们向模拟的冰巨物质发射x射线激光，对其进行加热和压缩，使其符合行星内部的条件。他发现碳原子自发地从它们的分子中挣脱出来，排列成钻石。在天王星和海王星内部，这样的钻石可以长到一个人的大小，慢慢地向行星的核心落下。钻石雨会释放能量并激起巨大的电流，这可能解释了天王星和海王星不寻常的磁场。
在平行的研究中，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的马吕斯·米洛特和他的同事将水分子置于类似的极端条件下，发现水分子会变成以前看不见的物质，“超级离子冰”——一种热的、黑色的、水晶状的水，也称为冰XVIII。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，超离子冰实际上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的奇观。
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，钻石可以长到人的大小，像雨点一样落向行星的核心。
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。他只是在那里说能够是外星人。
D尽管有这些见解，但我们在许多方面仍处于了解冰巨人的握手阶段。蛋白石计划每年观察行星的时间不到一天。旅行者2号只收集了有关行星组成和内部结构的有限信息。飞行速度如此之快，以至于航天器只看到了一个sid天王星和海王星的卫星之一。西蒙说：“还有那整个未被探测的另一半。我们不知道海卫一的其余部分到底发生了什么。”。
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。“这很难说，内心，但我不再做天文学了，”她承认了。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。
除非有人发明曲速引擎之类的东西，否则是没有办法克服时间的障碍的。前进的唯一道路是拥抱极端的耐心，作为向未知挺进的代价或乐趣。发现天王星后，赫歇尔解释说，并不是运气，而是毅力让他看到了这颗行星。“我检查了天上的每一颗星，”他写道。1781年的那个晚上是天王星转动被发现。”也许现在轮到冰巨人们，在他们怪异而美妙的荣耀中，被真正了解了。
科里·S·鲍威尔是一位住在纽约布鲁克林的科学编辑、作家和冰巨人爱好者。他与比尔·奈共同主持了科学规则播客。
参考
1.史密斯，R.W.剑桥网络行动：发现海王星。伊斯兰国80, 395 - 422(1989)。
2.科勒斯特罗姆，N.海王星的命名。中国天文史与遗产杂志12., 66 - 71(2009)。
3.贝塞尔，F.《贝塞尔教授写于1844年8月10日克朗尼斯伯格的一封信的翻译摘录》，关于普罗西恩和天狼星的固有运动的变化。皇家天文社会的每月通知6., 136 - 141(1844)。
4.天王星和海王星上的春分和二至。蒙德是英国天文协会杂志107.，332（1997）。
主要图片：美国宇航局/科学可视化工作室/汤姆·布里奇曼
