天王星的自然卫星

天王星是太陽系的第 7 顆行星，截至 2014 年 7 月，人類一共發現 27 顆**天王星的衛星**，所有衛星均以威廉・莎士比亞或亞歷山大・波普著作中的角色命名。威廉・赫雪爾於 1787 年發現了天衛三和天衛四兩顆衛星，另外 3 顆近球體衛星中的天衛一和天衛二是於 1851 年由威廉・拉塞爾發現，天衛五則是在 1948 年由傑拉德・古柏發現。這 5 顆衛星都擁有行星質量，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 顆衛星都是在 1985 年以後發現的，部分來自航海家 2 號的發現，還有部分是先進地面望遠鏡的功勞。

天王星的衛星可以分成三類：13 個內衛星，5 顆主群衛星和 9 顆不規則衛星。內衛星是暗黑色的小天體，與天王星環的性質和源起相同。5 顆主群衛星的質量都大到足以實現流體靜力平衡，其中 4 顆衛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。5 顆主群衛星中最大的是天衛三，其直徑有 1578 公里，是太陽系的第 8 大衛星，質量相當於月球的 5%。天王星的不規則衛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。

## 發現

發現天王星 6 年後，威廉・赫雪爾爵士於 1787 年 1 月 11 日發現了天衛三和天衛四，這也是人類最早發現的天王星衛星。之後，赫雪爾認為自己已經發現了多達 6 顆衛星，還有可能發現了一個行星環。在近 50 年的時間裡，只有他的儀器能夠觀測到這些衛星。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衛三和天衛四外其它天王星衛星的蹤影。1851 年，威廉・拉塞爾發現了天衛一和天衛二。在相當長的一段時間裡，天王星衛星的羅馬數位編號方案都沒能穩定下來，赫雪爾把天衛三和天衛四分別以羅馬數位 II 和 IV 編號，而拉塞爾則將這兩顆衛星分別編號為 I 和 II），人們在究竟採用誰的方案上猶豫不決。一直到天衛一和天衛二的存在確定，拉塞爾將 4 顆衛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。1852 年，赫雪爾爵士的兒子約翰・赫雪爾為當時已知的這 4 顆衛星起了名。

之後近一個世紀的時間裡，人類都沒能發現天王星擁有其它衛星。1948 年，傑拉德・古柏在麥克唐納天文台發現了天衛五，這也是五大主群衛星中發現時間最晚、並且質量最小的一顆。數十年後，航海家 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 顆內衛星。此外還有一顆天衛二十五則要到 1999 年人類重新對航海家 2 號拍攝的老照片進行研究後才被發現。

天王星在很長一段時間裡都是最後一顆沒有任何已知不規則衛星的氣體巨行星，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衛星時止。2003 年，人類通過哈伯太空望遠鏡發現了另外兩顆內衛星，分別是天衛二十七和天衛二十六。天衛二十三是截至 2012 年人類發現的最後一顆天王星衛星，其詳細資訊於 2003 年 10 月公布。

### 不存在的衛星

1787 年發現天衛三和天衛四後，赫雪爾認為自己又發現了另外 4 顆衛星，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裡普遍認為天王星擁有 6 顆衛星組成的衛星系統，但之後發現的這 4 顆衛星始終未能得到其他天文學家的確認。拉塞爾於 1851 年發現了天衛一和天衛二，但這仍然無法證實赫雪爾的發現，因為天衛一和天衛二的軌道特性與赫雪爾記錄的 4 顆衛星都存在差異，並且赫雪爾當年如果能在天衛三和天衛四旁邊發現其他任何衛星的話，他也一定會發現天衛一和天衛二。赫雪爾聲稱發現的 4 顆衛星的軌道週期分別是 5.89 天（在天衛三以內）、10.96 天（位於天衛三和天衛四之間）、38.08 天和 107.69 天（處在天衛四以外）。由此天文學界達成共識，赫雪爾之後聲稱發現的 4 顆衛星並不存在，估計他是把天王星附近光芒黯淡的恆星誤以為是衛星，因此發現天衛一和天衛二就屬於拉塞爾的功勞。

## 命名

1851 年，已經發現的天王星衛星達到 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・赫雪爾獲得了為這些衛星命名的榮譽。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：天衛三的名字「Titania」和天衛四的名字「Oberon」都是來自威廉・莎士比亞喜劇《仲夏夜之夢》中的仙女，天衛一的「Ariel」和天衛二的「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。

之後發現的衛星沒有繼續按天空中的精靈這一趨勢來命名，只有天衛十五（Puck）和天衛二十六（Mab）例外。1949 年，第 5 顆衛星天衛五是由發現人傑拉德・古柏命名，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衛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，所有外圈衛星的名字都是源於《暴風雨》，一直到為天衛二十三命名時止，其名稱「瑪格麗特」（Margaret）源於《無事生非》。

* 《奪髮記》（亞歷山大・波普）：
  * 天衛一（Ariel）、天衛二（Umbriel）、天衛十四（Belinda）
* 威廉・莎士比亞戲劇：
  * 《仲夏夜之夢》：天衛三（Titania）、天衛四（Oberon）、天衛十五（Puck）
  * 《暴風雨》：天衛一（Ariel）、天衛五（Miranda）、天衛十六（Caliban）、天衛十七（Sycorax）、天衛十八（Prospero）、天衛十九（Setebos）、天衛二十（Stephano）、天衛二十一（Trinculo）、天衛二十二（Francisco）、天衛二十四（Ferdinand）
  * 《李爾王》：天衛六（Cordelia）
  * 《哈姆雷特》：天衛七（Ophelia）
  * 《馴悍記》：天衛八（Bianca）
  * 《特洛伊羅斯與克瑞西達》：天衛九（Cressida）
  * 《奧賽羅》：天衛十（Desdemona）
  * 《羅密歐與朱麗葉》：天衛十一（Juliet）、天衛二十六（Mab）
  * 《威尼斯商人》：天衛十二（Portia）
  * 《皆大歡喜》：天衛十三（Rosalind）
  * 《無事生非》：天衛二十三（Margaret）
  * 《冬天的故事》：天衛二十五（Perdita）
  * 《雅典的泰門》：天衛二十七（Cupid）

有一些小行星的名稱和天王星的衛星相同：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）。

## 特徵和衛星群

天王星的衛星系統在所有氣體巨行星中是質量最小的一個，5 顆最大衛星的質量總和也不到海衛一的一半，而海衛一的質量在太陽系所有衛星中也只能排到第 7 位。天王星最大的衛星是天衛三，半徑約為 788.9 公里，不到月球的一半，但略大於土星第二大衛星土衛五，因此天衛三也就成為太陽系中的第八大衛星。天王星的質量則相當於其所有衛星總和的 1 萬倍。

### 內衛星

截至 2013 年，天王星已知擁有 13 顆內衛星，這些衛星的軌道都位於天衛五的內側。所有內衛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衛星的碎片組成。天衛六和天衛七是最靠近天王星的兩顆衛星，並且也是天王星環中 ε 環的牧羊人衛星，而天衛二十六則是最外側 μ 環的來源。

天衛十五的直徑有 162 公里，是天王星最大的內衛星，也是唯一一個由航海家 2 號拍下清晰照片的內衛星。天衛十五和天衛二十六是距離天王星最遠的內衛星。所有的內衛星都是暗天體，其幾何反照率不超過 10%。這些衛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。

質量較小的內衛星之間經常會出現微擾，整個衛星系統情況混亂，並且顯然很不穩定。類比結果表明，這些衛星可能會因彼此間的微擾引起軌道交叉，最終導致衛星相撞。未來 1 億年內，天衛十有可能會與天衛九或天衛十一相撞。

### 主群衛星

天王星擁有 5 顆主群衛星，按與天王星的距離從近到遠排列分別是：天衛五、天衛一、天衛二、天衛三和天衛四。其中天衛五直徑最小，為 472 公里，天衛三最大，有 1578 公里。這 5 顆衛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。天衛二是其中最黑暗的一顆衛星，天衛一則是最亮的一顆。5 顆衛星的質量中也是天衛五最小，為 6.7 × 1019 千克，天衛三則以 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。現代科學對於天王星五大主群衛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 顆衛星。

天衛五主要由冰構成，另外 4 顆主群衛星中的岩石和冰含量基本相同。冰的成分有可能包括氨和二氧化碳。所有主群衛星的表面都布滿了隕石坑，並且除天衛二以外的 4 顆衛星都表現出因內部力量導致表面地形重塑的跡象，例如天衛五的表面就存在卵形的冕狀物結構。這些冕狀物很可能是因地表以下的熱物質上湧而形成。天衛一表面的隕石坑最少，看起來最為年輕，天衛二上的隕石坑最多。天衛五和天衛二之間存在 3:1 的軌道共振，天衛一和天衛三之間也有 4:1 的軌道共振，科學家估計正是這些共振導致天衛五和天衛一的熱活動頻繁，進而產生大量內源性地質活動。天衛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。天王星最大的衛星內部可能存在差異，其核心可能是由岩石構成，周圍由冰質地函環繞。天衛三和天衛四的核心和地函邊界處可能存在液態水構成的海洋。天王星的主群衛星都是沒有空氣的天體，例如天衛三所擁有的大氣層氣壓就不超過 10 至 20 納巴。

天王星及其主群衛星夏至時（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衛星存在很大不同。主群衛星的轉軸傾角幾乎和天王星完全相同。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。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。

### 不規則衛星

天王星已知擁有 9 顆不規則衛星，這些衛星距行星的距離要遠大於天衛四。所有的不規則衛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衛星的軌道。X 軸上方是順行衛星，下方是逆行衛星。天王星的希爾球約為 7300 萬公里。

天王星的不規則衛星中最小的是天衛二十一，直徑僅 18 公里，最大的天衛十七則有 150 公里。與木星的不規則衛星不同，天王星不規則衛星的自轉軸線和軌道傾角之間沒有關聯。這些逆行衛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）分別是天衛二十二、天衛十六、天衛二十和天衛二十一，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），分別是天衛十七、天衛十八、天衛十九和天衛二十四。

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衛星的存在。在這個不穩定的區域裡，衛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，導致同其它衛星相撞或是被拋出天王星系。這個區域內如果存在衛星，其壽命大概會在 1 千萬至 10 億年之間。

天衛二十三是天王星已知的唯一一顆不規則順行衛星，目前這顆衛星的軌道離心率之高超過太陽系的其它任何衛星，不過海王星的衛星海衛二擁有更高的平均軌道離心率。2008 年時，天衛二十三的軌道離心率為 0.7979。

## 天王星衛星列表

以下列表中列出了天王星的所有已知衛星，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衛星會以淺藍背景色標出，並且其名稱會用加粗字體顯示。逆行不規則衛星則用以深灰色顯示。天衛二十三是天王星已知唯一擁有順行軌道的不規則衛星中，在下表中以淺灰色顯示。

來源：美國國家航空暨太空總署和國家太空科學數據中心，謝潑德等人的著作。新近發現的外圈不規則衛星以天然衛星星曆服務的軌道數據最為準確。這些不規則衛星的軌道受到太陽的嚴重干擾。

## 參見

* 天王星環
* 各大行星的衛星：地球、火星、木星、土星、海王星

## 注釋說明

## 參考資料

太陽系

## 擴展閱讀

* Uranus: Moons. NASA's Solar System Exploration. [2014-08-04]. （原始內容存檔於 2014-07-28）.
* NASA's Hubble Discovers New Rings and Moons Around Uranus. Space Telescope Science Institute. 2005-12-22 [2014-08-04]. （原始內容存檔於 2013-11-22）.
* Sheppard, Scott. Uranus's Known Satellites. [2014-08-04]. （原始內容存檔於 2013-10-15）.

## 外部連結

* 類比顯示天王星衛星的位置
* 行星系統點擊詳解（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）