天王星（惑星）：特性、構成、軌道、運動 - アルテ - 2025

天王星は太陽系の7番目の惑星であり、外惑星のグループに属しています。土星の軌道を超えると、天王星は非常にまれな条件下では肉眼ではほとんど見えなくなり、どこを見ればよいかを知る必要があります。

このため、天文学者のウィリアムハーシェルが1781年に望遠鏡で発見したまで、天王星は実際には見えませんでした。小さな青緑色の点は、天文学者が探していたものとはまったく異なります。ハーシェルが望んでいたのは、地球の並進運動によって引き起こされる恒星視差を検出することでした。

図1.惑星天王星、地球より14.5倍重い。出典：Pixabay。

これを行うには、遠くの星（および近くの星）を見つけ、2つの異なる場所からどのように見えるかを観察する必要がありました。しかし、1781年のある春の夜、ハーシェルは他のスポットよりも少し明るく光っているように見える小さなスポットを見つけました。

やがて、彼と他の天文学者はそれが新しい惑星であると確信し、ハーシェルはすぐに既知の宇宙のサイズを拡大して惑星の数を増やすことで有名になりました。

新しい惑星の名前はすぐにはわかりませんでした。ハーシェルがギリシャまたはローマの神を使用することを拒否し、その代わりに当時のイギリスの君主ジョージIIIを記念して、ジョージアシドゥまたは「スターオブジョージ」と名付けました。

当然のことながら、このオプションはヨーロッパ大陸の一部の好みではありませんでしたが、ドイツの天文学者ヨハネスエラートボーデが空の神で母の地球であるガイアの夫である天王星の名前を提案したとき、問題は解決しました。

古代ギリシャとローマの神話によると、天王星は土星（クロノス）の父であり、次に木星（ゼウス）の父でした。少なくとも1850年まで惑星が「ジョージの星」と呼ばれ続けていたイギリスを除いて、科学界はこの名前を最終的に受け入れました。

天王星の一般的な特徴

天王星は、太陽系の外惑星群に属し、土星と木星に次ぐ、3番目の惑星です。その組成とその特徴の多くが他の2つの巨星、木星と土星とは異なるため、氷の巨人である海王星と一緒になっています。

木星と土星では水素とヘリウムが主流ですが、天王星などの氷のような巨人には、酸素、炭素、窒素、硫黄などの重い元素が含まれています。

もちろん、天王星にも水素とヘリウムがありますが、主にその大気中にあります。また、すべてが水でできているわけではありませんが、氷も含まれています。アンモニア、メタン、その他の化合物があります。

しかし、いずれにせよ、天王星の大気は太陽系の中で最も寒いものの1つです。気温は-224 224Cに達することがあります。

画像は遠くて神秘的な青いディスクを示していますが、さらに多くの印象的な機能があります。それらの1つは、正確には青色です。これは、大気中のメタンによるもので、赤色光を吸収して青色を反射します。

天王星は大気中のメタンガスから青色に見え、赤色光を吸収して青色光を反射します。

さらに天王星には次のような特徴があります。

-非対称の配置で独自の磁場。

-たくさんの月。

・土星よりも希薄なリング系。

しかし、間違いなく最も印象的であるのは、完全に傾斜した回転軸での逆行性回転であり、天王星の極は、まるでそれが横を向いているかのように、他の赤道の位置にあります。

図2.天王星の回転軸の傾き。出典：NASA。

ちなみに、図1に示されているのとは逆に、天王星は平和な惑星や単調な惑星ではありません。画像を取得した探査機ボイジャーは、穏やかな天候のまれな時期にたまたま通りかかった。

次の図は、すべての惑星をグローバルに比較した場合の天王星軸の98度での傾きを示しています。天王星では、赤道よりも遠方の太陽から最も熱を受け取るのは極です。

図3.太陽系の惑星の回転軸。出典：NASA。

惑星の主な物理的特徴のまとめ

-質量： 8.69 x 10 ²⁵ kg。

-ラジオ： 2.5362 x 10 ⁴ km

-形状：平らになります。

-太陽までの平均距離： 2.87 x 10 ⁹ km

- 軌道の傾き：黄道面に対して0.77º。

-温度：約-220〜-205.2ºC。

-重力： 8.69 m / s ²

-自分の磁場：はい。

-雰囲気：はい、水素とヘリウム

-密度： 1290 kg / m ³

-衛星： 27日付までの指定。

-リング：はい、これまでに約13個が発見されました。

翻訳運動

天王星は、大きな惑星と同様に、太陽の周りを壮大に回転し、1つの軌道を完了するのに約84年かかります。

図4.太陽の周りの天王星の軌道（赤色）ソース：ウィキメディア・コモンズ。元のシミュレーション= Easy Javaシミュレーションの作者であるTodd K. Timberlake = Francisco Esquembre / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

天王星の軌道はかなり楕円形であり、1783年に偉大な数学者のピエールドゥラプラスによってニュートンとケプラーの法則から計算された軌道には、いくつかの不一致がありました。

その後しばらくして、1841年にイギリスの天文学者ジョンカウチアダムスは、これらの不一致は、まだ見えていない別の惑星によって引き起こされた障害が原因である可能性があることを非常に正確に示唆しました。

1846年、フランスの数学者アーバンルヴェリエは未知の惑星の可能な軌道の計算を洗練し、ベルリンのドイツの天文学者ヨハンゴットフリートゴールにそれらを与えました。ネプチューンはすぐに彼の望遠鏡に初めて、フランスの科学者によって示された場所に現れました。

図5.左側はウィリアムハーシェル卿（1738-1822）、右側はアーバンルヴェリエ（1811-1877）。出典：ウィキメディア・コモンズ。

天王星を観測する時期と方法

天王星は地球から非常に離れているため、肉眼で見るのは困難です。最も明るいときの大きさはわずか6で、直径は4秒角（ジュピターは最もよく見えるときは約47度）です。

非常に澄んだ暗い空、人工照明がなく、どこを見ればよいか事前にわかっているので、肉眼でそれを見ることができます。

しかし、天文学のファンは、インターネットで見られる天体図と、良質の双眼鏡でさえある装置の助けを借りて、それを見つけることができます。それはまだ詳細のない青い点のように見えます。

図6.天王星は望遠鏡と天空図の助けを借りて小さな青い点として見ることができます。出典：Pexels。

天王星の5つの主要な衛星を見るには、大きな望遠鏡が必要です。惑星の詳細は、少なくとも200 mmの望遠鏡で観測できます。小さい楽器は緑がかった青色の小さなディスクしか明らかにしませんが、遠く離れていると多くの不思議を隠していることを知って、それを試してみる価値があります。

天王星のリング

1977年に天王星は星の前を通過してそれを隠しました。その間、星は隠蔽の前後に数回点滅しました。ちらつきはリングの通過によって引き起こされ、このようにして3人の天文学者が天王星が赤道面に9つのリングのシステムを持っていることを発見しました。

すべての外惑星にはリングシステムがありますが、土星のリングの美しさを超えるものはありませんが、天王星のリングは非常に興味深いものです。

Voyager 2プローブはさらに多くのリングを検出し、優れた画像を取得しました。2005年、ハッブル宇宙望遠鏡はさらに2つの外輪を発見しました。

天王星のリングを構成する物質は暗く、おそらく炭素含有量の高い岩石であり、最も外側のリングだけがダストに富んでいます。

天王星の羊飼い衛星のおかげでリングは形を保っています。天王星の重力作用がその形を決定します。それらも非常に薄いので、それらをかすめる衛星はかなり小さな月です。

リングシステムは、少なくとも天文時代の観点からは、かなり壊れやすく、耐久性があまり高くありません。

リングを構成する粒子は継続的に衝突し、天王星の大気との摩擦はそれらを押しつぶし、そしてまた一定の太陽放射はそれらを劣化させます。

したがって、リングの持続性は、小惑星や彗星との衝突による衛星の断片化に起因する、それらに到達する新しい物質に依存しています。土星の環と同様に、天文学者はそれらが最近のものであり、それらの起源は正確にこれらの衝突にあると信じています。

図7.天王星のリングと羊飼いの衛星の間には非常に密接な関係があり、これはリングシステムを持つ惑星では一般的です。出典：ウィキメディア・コモンズ。Trassiorf /パブリックドメイン。

回転運動

天王星のすべての機能の中で、これは最も驚くべきことです。なぜなら、この惑星には逆行性の回転があるからです。つまり、他の惑星（金星を除く）とは反対の方向に急速に回転し、1回の回転に17時間強かかります。そのような速度は、その軌道を移動するときの天王星の測定値とは対照的です。

さらに、回転軸が非常に傾いているため、図2のアニメーションに示すように、惑星は平らに回転しているように見えます。惑星の科学者は、巨大な衝撃によって惑星の回転軸が現在の位置にシフトしたと考えています。

図8.天王星軸の逆行性の回転と傾斜は、数百万年前に起こった巨大な影響によるものです。出典：NASA。

天王星の季節

天王星の季節は非常に極端で、気候変動が大きくなるのは、この独特の傾向のためです。

たとえば、夏至の間、一方の極は直接太陽を指し、もう一方の極は宇宙を指します。照らされた側の旅行者は、21年間太陽が昇ったり沈んだりせず、反対側の極が暗闇に突入することを観察します。

逆に、分点では、太陽は惑星の赤道上にあり、その後、約17時間続く1日を通して昇り、沈みます。

ボイジャー2探査機のおかげで、天王星の南半球は現在冬に向かっていて、北は2028年に行われる夏に向かっていることが知られています。

図9.架空の旅行者が見た天王星の季節変動。出典：種子、M。ソーラーシステム。

天王星が太陽を周回するのに84年かかり、地球から遠く離れているため、惑星の気候変動の多くはまだ不明であることが理解されています。利用可能なデータのほとんどは、前述の1986ボイジャーのミッションとハッブル宇宙望遠鏡による観測からのものです。

組成

天王星はガスの巨人ではなく、氷の巨人です。特性に特化したセクションでは、天王星の密度は、地球などの岩の多い惑星の密度よりは低いものの、水によく浮く土星の密度よりも高いことがわかりました。

実際、木星と土星の多くは気体ではなく液体ですが、天王星と海王星には、水だけでなく他の化合物も大量の氷が含まれています。

そして天王星の質量が少ないので、木星と土星の特徴である液体水素の形成を引き起こす圧力は、その内部で生成されません。水素がこの状態になると、水素は金属のように振る舞い、これら2つの惑星の強い磁場を引き起こします。

天王星にも独自の磁場があり、その中には図12の図がありますが、不思議なことに、磁力線は地球の場合のようにその中心を通過せず、そこから離れた別の点で発生しているように見えます。

したがって、天王星の大気には、水素とヘリウムの分子があり、メタンの割合が小さいため、青色の原因となっています。この化合物は、赤色の波長を吸収するためです。

地球自体は氷で構成されており、水だけでなく、アンモニアとメタンも含まれています。

今こそ重要な詳細を強調する時です。惑星の科学者が「氷」について話すとき、彼らは私たちが彼らを冷やすために私たちが飲み物に入れた凍った水について言及していません。

冷凍された巨大惑星の「氷」は、圧力が高く、少なくとも数千度の高温にあるため、組成以外は冷蔵庫に保管されているものと共通点はありません。

天王星のダイヤモンド

メタンからダイヤモンドを製造することは可能ですか？ヘルムホルツツェントラムドレスデンロッセンドルフ研究所でドイツで行われた実験室研究は、適切な圧力と温度条件がある限り、そうであることを示しています。

そして、それらの条件は天王星の中に存在するので、コンピュータシミュレーションは、メタンCH _4が解離して他の化合物を形成することを示しています。

メタン分子に存在する炭素は沈殿し、ダイヤモンドに変わります。それらが惑星の内部に向かって移動すると、結晶は摩擦によって熱を放出し、惑星のコアに蓄積します（次のセクションを参照）。

このようにして形成されたダイヤモンドは200 kgに達すると推定されていますが、少なくとも近い将来、これを確認することはできません。

内部構造

次の図に、天王星とその層の構造を示します。その構成については、前のセクションで簡単に説明しました。

-上層の雰囲気。

-水素とヘリウムの分子が豊富な中間層は、全体の厚さが約7,500 kmです。

-厚さ10,500 kmの氷を基にしたマントル（地球上で一般的な氷とは異なります）。

-鉄、ニッケル、ケイ酸塩でできた半径7,500 kmの岩の多いコア。

惑星の中心部では圧力と温度が高すぎてこれらの「岩」が私たちが知っているものに似ていないため、コアの「岩のような」物質も地球の岩のようではありませんが、少なくとも化学組成異なる必要はありません。

図10.天王星の内部構造。出典：ウィキメディア・コモンズ。

天王星の自然衛星

天王星にはこれまでに27の指定衛星があり、ウィリアムハーシェルの息子であるジョンハーシェルが惑星を発見したおかげで、ウィリアムシェイクスピアとアレクサンダーポープの作品の登場人物にちなんで名付けられました。

望遠鏡観測で発見された主な月は5つありますが、凍った水で知られている大気はありません。それらのすべての質量は、天王星の双子の惑星である海王星の衛星の1つであるトリトンの半分に達しないため、すべて非常に小さいです。

これらの最大のものは、直径が月の46％であるティタニアであり、次にオベロンが続きます。両方の衛星は、1787年にウィリアムハーシェル自身によって発見されました。アリエルとウンブリエルは、自分の望遠鏡も構築したアマチュア天文学者ウィリアムラッセルから19世紀半ばに知られるようになりました。

天王星の5番目に大きい月であるミランダは、月の直径のわずか14％で、20世紀にジェラールカイパーによって発見されました。ちなみに、この注目すべき天文学者の名を冠して、カイパーベルトも太陽系の境界で洗礼を受けました。

図11.天王星の5つの主要な月、惑星自体、および小さな月のパック。左から青に向かって天王星、パック、ミランダ、アリエル、ウンブリエル、チタニアが最も大きく、オベロン。出典：ウィキメディア・コモンズ。

ミランダの表面は潜在的な影響と異常な地質学的活動のために非常に険しいです。

他の衛星はより小さく、Voyager 2とハッブル宇宙望遠鏡から知られています。これらの月は非常に暗く、おそらく表面の物質を蒸発させてそれに集中させた多くの影響のためです。また、それらが受ける強い放射のために。

それらの一部の名前とリングシステムを維持するためのアクションを図7に示します。

天王星の衛星の動きは、地球と月のシステムと同様に、潮汐力によって支配されています。このように、衛星の回転と並進の周期は同じであり、それらは常に惑星に対して同じ面を示します。

磁場

天王星は、Voyager 2プローブの磁力測定によれば、地球の強度の約75％の磁場を持っています。惑星の内部は、金属水素を生成するために必要な条件を満たしていないため、科学者は別の導電性流体があると信じていますフィールドを生成します。

次の図は、木星の惑星の磁場を表しています。すべての磁場は、中心の棒磁石または磁気双極子によって生成される磁場と、地球の磁場によってある程度似ています。

しかし、天王星の場合、天王星の双極子は中央にも海王星の双極子でもなく、南極に向かって変位し、回転軸に対して著しく傾いています。

図12.木星の惑星の磁場の概略図。天王星のフィールドは中心からずれており、軸は回転軸と鋭角になります。出典：種子、M。太陽系。

天王星が磁場を生成する場合、動く流体のおかげでダイナモ効果があるはずです。専門家は、メタンとアンモニアが非常に深く溶け込んだ水の塊であると信じています。

天王星内部の圧力と温度により、この流体は電気の優れた伝導体になります。この性質は、惑星の急速な回転と対流による熱の伝達とともに、磁場を生成することができる要因です。

天王星へのミッション

天王星は地球から非常に遠いので、最初の探査は望遠鏡を通してのみでした。幸いなことに、ボイジャーの探査機は、最近まで未知のこの惑星についての貴重な情報を収集するのに十分近づきました。

土星の研究のために打ち上げられたカッシーニミッションは天王星に到達すると考えられていましたが、燃料がなくなると、ミッションの責任者が2017年に土星内で消滅させました。

プローブには放射性元素が含まれており、土星の衛星の1つであるタイタンに衝突した場合、何らかの原始的な生命が宿っているこの世界を汚染した可能性があります。

ハッブル宇宙望遠鏡も重要な情報を提供し、2005年に新しいリングの存在を明らかにしました。

ボイジャーミッションの後、火星の探査、さらには木星の探査さえ世界中の宇宙機関の優先事項と見なされているため、実行できないいくつかのミッションが提案されました。

ボイジャー

このミッションは、ボイジャー1とボイジャー2の2つの探査機の打ち上げで構成されました。原則として、それらは木星と土星に到達するだけでしたが、これらの惑星を訪れた後、探査機は氷の惑星に向かい続けました。

Voyager 2は1986年に天王星に到達しました。私たちがこれまでに得たデータの多くは、その探査からのものです。

このようにして、大気の組成と層の構造に関する情報が得られ、追加のリングが発見され、天王星の主な月が研究され、さらに10個の月が発見され、惑星の磁場が測定されました。

彼はまた、惑星と月の表面の両方に多数の高品質の画像を送りました。

その後、探査機は海王星に向かい、最終的に星間空間に入りました。

参考文献

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