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在很闲适或者很烦闷的时候，人们喜欢来一次远足，到人烟稀少的郊外，享受寂静，放空身心，发现那些只属于自己的奇观和美景。走得越远，人迹越发稀少，就越是寂静、空明，越能找到意想不到的、从未被人涉足的奇景。 有这样两个远足的好去处，他们非常，非常，非常远，远到人类最先进的探测器，也需要数年，甚至数十年才能到达，以至于人类至今，也只拜访过它们一次。这样的地方，当称得上是终极的远足挑战。 在之前的太阳系漫游中，我们去过了可以种土豆的火星、空调电费很高的金星、适合修仙的水星、其他行星一起上都打不过的木星、美丽神秘蕴藏生机的土星。这一次，我们把车门焊死，油门踩到底，去探访太阳系最最外层的两颗行星——天王星和海王星。 前面也说到了，由于路途遥远，人类历史上只有一枚探测器曾经近距离拜访过天王星和海王星——那就是著名的旅行者2号。但即便是旅行者二号，也仅仅对这两颗行星做了短短几个小时的观测，资料非常匮乏。因此，我们召唤Brian Cox教授，结合BBC 2019年的纪录片《行星》的第五集，“深入黑暗：冰雪世界”，来对这两个冰封的世界做一次终极的远足。 一次完成领导布置的两个指标的笔者我，美滋滋。 天王星 地球与天王星的大小对比 右半部分是Voyager 2于1986年1月17日拍摄的  天王星（Uranus），太阳系第七颗行星，是太阳系中唯一一颗，直接以希腊神话人物，而非罗马神话人物命名的（精罗震怒）行星，来源于希腊神“Οὐρανός”，乌拉诺斯（没错就是神王宙斯的爷爷，作为一个爷们儿，超惨的，自己百度吧）。 天王星是一颗巨行星，赤道半径大约是4.007个地球半径，质量大约14.5个地球，平均密度约1.27g/cm3，是太阳系所有行星当中密度第二小的。天王星公转轨道的远日点约20.11天文单位（AU），近日点18.33AU，是太阳系行星中轨道近日点远日点差异最大的（但不是离心率最大的）。 一番苦旅，Voyager2终于抵达天王星，来自纪录片《行星》 天王星公转一周要84年，观测它转完一圈，对于寿命实在是一种挑战。它在夜空中的视星等在5.68左右，很暗淡，接近肉眼能观测的极限。 前面这两条因素相结合，最开始，人们虽然看见了这颗星，却在很长的时间里不认为这是一颗行星，其最早的发现可以追溯到公元前128年，因为基本上看不出它在天球上移动，人们一直以来将其当作是一颗恒星。
1781年3月13日，英国天文学家William Herschel通过望远镜，确认了天王星是一颗行星。天王星因此成为了天文望远镜发现的第一颗行星。
发现天王星的望远镜的复刻版 天王星是如此之遥远，距离地球最近的时候，是火星距离地球最近的时候的17倍多。到达火星需要六个月，咬咬牙也不是不能忍。而要往天王星做一次远足，那可需要9年时间呢 。旅行者2号于1977年8月20号发射，1986年1月才到达天王星。
Voyager 2的轨道，黄色是天王星，红色是海王星。 9年时间，义务教育我都能再上一遍了。但是这并不妨碍我们研究一下，假如要是真有一天，我们到天王星远足，需要准备点什么？  一、挑个好日子 正如所有的远足一样，你需要挑个好日子。天气太冷不行，下暴雨不行，刮大风也不行。最好是找一个雨后的清晨出发，不要太热太干，也不要太冷太潮。去天王星远足也一样。 天王星有着独特的气候系统，这来源于整个太阳系最独特的自转方向——横着转。以逆时针旋转作为参考，天王星的自转赤道面与公转轨道面的夹角是97.77°（地球只有23.4°），因此，在夏至日，整个南极朝向太阳，冬至日换成北极朝着太阳，只有在春秋分附近，它的昼夜变化才会跟地球以及其它行星类似。
躺着打滚的天王星，来自纪录片《行星》 科学家认为，这可能可以解释，天王星上的天气事件。 在1986年，旅行者2号拜访天王星的时候，天王星“几乎没有任何特征”，整颗星的颜色几乎完全均一。用红外相机才发现了稍微明亮一些的南极和颜色稍淡的赤道地区，并且仅仅发现了十片云朵。
Voyager 2观测的天王星，左图是可见光波段，右图是长波波段。 但是在2004年到2006年间，突然地，天王星会冒出一些很大的云团和风暴，风速也创下了新的记录，它看上去就和接下来要讲的海王星近似了！甚至还拥有了类似海王星的“大黑斑”。
哈勃望远镜2006年首次观测到的天王星大黑斑。 科学家于是掏出计算器，一算，1986年那年差不多是天王星的夏至，南极朝向太阳；天王星公转周期84年；2006年，过去了20年——刚好该轮到天王星的秋分了！ 所以科学家推测，这种风暴，就是天王星的季节变换。但是因为天王星到目前也只有半个公转周期多点的观测数据，没办法综合全天王星年的数据，所以还只是停留在推测。 不过大致上，我们可以想象，在天王星的夏至和冬至附近，天王星的风速和降雨（其实更可能是水、甲烷和氨的冰雹）会更小，而且太阳一直晒着，也会比较温暖干燥，更适合远足。 二、做好保暖 天王星并不是太阳系八大行星中距离太阳最远的一颗，但是天王星却是太阳系最为寒冷的行星。 天王星的轨道半径大约20个天文单位，以太阳辐射强度按平方反比关系衰减来算，天王星单位面积受到的太阳辐射大约是地球的1/400。此外，天王星内部产生的热流，也比地球小了快一倍。
天王星内部结构 天王星对流层顶测得的最低温度记录，是49K，也即-224.2℃。在这寒冷的北京初冬，我光是想一想，我就该去穿棉裤了。 所以一定要做好保暖！ 三、带肉骨头（熟的） 天王星行星系有着全太阳系最强悍的两条“牧羊犬”——Cordelia和Ophelia。她们是天王星的两颗卫星，名字分别来自于莎士比亚的戏剧《李尔王》和《哈姆雷特》（国际天文联合会是想说奥菲利亚是狗吗！掀桌！）
为什么说是牧羊犬呢？这要从天王星的环说起。
天王星的环（图自《行星》） 目前已经观测到13个天王星的环，其中9个内环，2个尘埃环，2个外环。天王星的星环非常暗淡，远远比不上土星那样宏伟壮观，但是也有自己的特点。9个内环中，最外面的一个，ε环，也是天王星环中密度最高，亮度最亮的一环。这一环，虽然致密，但却只有150米宽。
天王星的内环。Voyager 2摄于1986年1月23日 这奇特在哪里呢？大家知道一个很浅显的道理，物质都有从密度高的地方向密度低的地方扩散的趋势。作为密度最高的星环，按理说，在漫长岁月的随机相互碰撞中，这个环应该会越来越散，越来越薄，正如其它星环一样。 然而不是，这个环依然非常致密。科学家们认为，这就是因为有两个“牧羊犬”，或者在这里应该说“牧星犬”，在起作用。
“牧星犬”与ε星环的合影，Voyager2摄于1986年1月21日。 两只牧星犬一只在内，一只在外。在内的轨道周期短，角速度大，因此会将星环物质加速；在外的角速度小，会将星环物质减速。一增一减，就会在这里形成一个亚稳态的震荡位置，使得ε环始终保持稳定和高密度。
牧星犬，害不害怕！还不赶紧肉骨头伺候！当然，如果她们真的不吃肉骨头，那我们也可以自己吃——这就是为什么要带熟的肉骨头的原因了。 远足，安全第一，吃饭第二，带肉骨头能同时满足。 海王星
地球与海王星的尺寸对比 海王星（Neptune），是太阳系已知的最外层的行星。 海王星也是巨行星，海王星和天王星的成份与土星差不多，但是非常寒冷，而且这俩行星都含有相对高一些的水、氨和烷烃类，这些东西在低温下会“结冰”，因此又被称为是冰巨星，以示区分。 海王星的赤道半径大约是3.883个地球半径，比天王星稍小；质量大约是14.536个地球质量，比天王星稍大。平均密度因此比海王星高得多，1.638g/cm3,是太阳系四颗巨行星中最致密的。
海王星的混合波长图像，图中的条带是甲烷成份。四周四个亮点是其四个卫星。图自哈勃望远镜 海王星的公转轨道29.81AU，远日点30.33AU，公转轨道周期是164.79年。不借助天文设备，用肉眼是观察不到海王星的。事实上，海王星是唯一一颗，借助数学手段先预言，找到的太阳系行星。1821年，法国天文学家Alexis Bouvard，发表了对于天王星轨道的观测结果，他发现天王星的轨道总是受到扰动，因此预言在天王星外面，应该还有一颗行星。1846年9月23日晚间（也可以算是24日），法国天文学家Urbain Le Verrier正式确认观测到了预言中的海王星。这中间的故事远比我讲的曲折复杂，有兴趣的朋友可以去详细看看。
海王星164.79年的公转（红色弧线），与之相比，其它行星简直是鬼畜抖动 实际上根据现代的文献研究，伽利略发明望远镜后，他也用望远镜观测到了海王星，并且记录下了海王星相对于周边恒星的移动，但是并没有发表。
当前海王星所在的位置，在水瓶座边上，肉眼看不到。观测点位于北京北部，来自软件Stellarium 天王星都已经去过了，再多花点时间往前走两步（雾），到海王星转转才比较划得来！君不见硬核旅行家Voyager 2，在用9年抵达天王星之后，“仅仅”又用了3年时间，一共12年，就到达了海王星！三年，正好再多上个高中。
海王星已经是已知太阳系中最遥远的行星了，在最遥远的地方，必然有着最玄奇的风光，虽然所知不多，但我觉得还是有以下三点需要注意。 一、穿风衣 穿风衣，最好是给你的飞船也穿上风衣。海王星拥有整个太阳系最高速的风，风速可达2100km/h，即580m/s。超音速的风在海王星的大气层里奔涌，卷起可怕的风暴。
海王星远远没有木星那么大，但是海王星上的风暴却一点也不逊色木星，1989年8月20日，Voyager 2拍下了海王星的“大黑斑”，这是一个跟地球差不多大的风暴。
之前讲到，天王星是整个太阳系最寒冷的行星。海王星距离太阳更远，为什么比天王星还更热（对流层顶温度51.8K，即-221.3℃），而且有能量驱动这么大的风暴？ 科学家目前认为，这是因为有一些放射性的物质在内部形成了热源。但是具体的机制，尚不算清晰，也许需要我们实地去考察和探索，做更深入的了解。 讲道理，虽然我也不知道这么大的风穿风衣管不管用，但是我觉得还是先穿上吧。 二、带雨伞 海王星超音速的风确实可怕，不宜久留，我们倒是可以去海卫一（Triton）看一看，那里比较安全，而且也有一些胜景。
海卫一这颗卫星有点意思。它很大，占到海王星所有卫星质量总和的99.5%，较大的质量使得其形状比较圆。海卫一的表面是一层氮气和甲烷结成的冰，在这个冰面上，遍布着沟壑和坑洞。
海卫一的地形图 当阳光照耀在海卫一上——尽管只有地球附近辐射强度的1/900——一些奇观因此发生。表面较亮较透明的氮冰和甲烷冰透光度比较高，阳光穿透这里，照到下方颜色较暗的成份。这样，导致海卫一地下的温度，比地表温度稍高了约四摄氏度。氮冰因此气化，穿过表面的沟壑和坑洞，形成了——冰火山（Cryovolcano）。
海卫一表面的冰火山。图自纪录片《行星》 这些“火山”，因为海卫一缺乏大气层，没什么阻力，可以喷到很高。Voyager 2曾经监测到最高8km高的火山喷发。
要近距离观察这些冰火山，那么雨伞我觉得是需要的——一方面，这些冰火山落下来的可能是碎的冰粒或者低温氮气、甲烷，带个雨伞可以挡一挡，不至于淋雨着凉。另一方面，如果你是极限运动爱好者的话，可以用雨伞当滑翔伞，看看乘着冰火山的气流，能飞多高？ 三、穿登山靴 海卫一还有一点非常著名——刚才也提到了，就是遍布的沟壑和坑洞。这也就不难理解为什么要穿登山靴。 这样的沟壑和坑洞是怎么形成的呢？ 我个人理解为一个爱情故事。 海卫一的轨道非常独特，她绕海王星旋转的轨道，与海王星自转的方向是相反的，与绝大部分情况不同。比如说月球公转和地球自转的方向就是同一方向，从北方来看，都是逆时针。
一般来说，如果行星和其卫星是同期一起形成的，他们的角动量方向就会相同，自然会有同样的转动方向。因此，科学家推测，海卫一并不是和海王星一起形成的，她原来应该是柯伊柏带上的一颗矮行星，因为海王星的引力扰动，被海王星捕获了。经有这样的过程，刚好旋转方向相反。 柯伊柏带上有很多著名的矮行星，比如说冥王星，形成一个海卫一这样大小的矮行星，并不奇怪。 在刚刚被捕获，从矮行星变成卫星，成为海卫一的时候，她应该拥有一个离心率很大的高椭圆轨道——就像一位少女，个性张扬。她的轨道高点很高，低点很低，受到的海王星的引力，就时大时小。这样的引力在她内部形成固体潮汐，不断将其内部的物质压扁，搓圆。
这个过程在她的表面形成沟壑，挤出挥发分，形成坑洞。引力势能也在这个过程中不断被消耗和转移，最终，在固体潮汐的作用下，高椭圆轨道被磨成了一个近圆轨道，离心率从接近1，变成了0.000016。 像极了爱情，两个人相互适应（海王星轨道和内部结构肯定也受到了对等的影响，但是他比较大比较胖，看起来没那么明显），磨平棱角，最终形成了稳定的家庭——但是岁月也在他们身上留下了痕迹。
正所谓：宇宙河山美不美，全靠导游一张嘴。我觉得你一定想去看看。 象征性结尾的分割线 过去我们总是认为，在那太阳系的外围，一切都是冰冷、死寂、空洞的，就像是世界的尽头，什么都没有，什么也不需要有。 但实际上，哪怕是1/400的，1/900的微光，和来自万有引力的威能，就能让这里充满活力，遍布奇观美景。 这太阳系的遥远边疆，人类仅仅在这里短暂一瞥，就已经看到了如此多的奇观美景，几乎每一瞬，都有新的惊喜。未来的某一天，若能亲临这里，该是多么激动人心，涤荡胸怀。
海王星在看着你。图自纪录片《行星》 宇宙是如此宏伟和深邃，我们的身边，宇宙瞬息万变，但远离我们视线的无穷远处，宇宙依旧瞬息万变——我们并不是宇宙的中心，只是银河角落里的一粒微尘。 不过，我们人类，虽然仅仅是一粒微尘，却因为拥有无穷的好奇心，而在宇宙中，闪着荧荧之光。 E N D 美编：桃之夭 校对：李玉钤
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