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天王星

天王星

天王星（Uranus）又名乌拉诺斯（aka Ouranos），是太阳系由内向外的第七颗行星，它拥有太阳系第三大行星半径和第四大行星质量。天王星的成分与海王星相似，它们的化学成分与气态巨行星（木星和土星）有较大的不同。出于这个原因，科学家们将天王星和海王星归类为“冰巨行星”，以区别于气态巨行星。

1781年，威廉·赫歇尔用自制望远镜发现并纪录了天王星，并想以国王乔治三世命名，未能成功，最后约翰·埃勒特·博德以希腊天神乌拉诺斯为其命名。天王星由原始星云分裂—聚集—碰撞—吞并而形成。内部主要由冰（水冰、甲烷冰、氨冰）和岩石组成。它拥有太阳系中最冷的行星大气层，温度为-224°C（-371°F）。其氢和氦的含量分别为82.5±3%和15±3%。天王星和其他行星一样有环系统、磁层和许多卫星。 2004年，美国宇航局哈勃空间望远镜观测到天王星上有一个黑洞。通过数学模型和实验室实验结合，科学家推断天王星和海王星存在有“钻石雨”。

天王星被发现以后，人们对其进行了很多观测。在对天王星的探索进程中，“旅行者2号探测器”和哈勃空间望远镜观测到很多关于天王星的信息。据新华网2022年5月报道，中国预计2023年发射与美国哈勃太空望远镜的口径相当，而视场比哈勃望远镜大350倍的中国空间站望远镜。2023年4月，美国航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜（詹姆斯·韦伯空间望远镜）捕捉到了天王星光环图像。

人们认为2011年苏门塔腊岛附近海域发生的地震与天王星的磁场有关；2022年8月天王星发生逆行运动现象，同年11月又同时发生了月全食与月掩天王星现象。为了研究天王星和海王星，本诺·诺伊恩施万德和拉维特·海尔德提出了天王星和海王星的经验结构模型，并且建议将天王星自转周期改为16.57小时。欧文等提出的三层气溶胶模型反映了天王星和海王星之间存在显著的相似之处。在占星术中，天王星代表着革命、变化和转型，是第十一个星座水瓶座的守护星。在希腊神话、中国文化、战争行动代号和音乐中都能见到有天王星元素。

发现与命名

发现

早期研究

尽管天王星肉眼可见，但它一直没有被明确分类。通常被误认为是一颗恒星，据推测，喜帕恰斯可能在公元前128年首次将其记录在他的恒星表中。后来它被纳入托勒密的《天文学大成》中。然而，最早的明确被观察是在1690年，约翰·弗拉姆斯蒂德观察了它六次，将其编目为金牛座34号。后来，查尔斯·勒莫尼耶在1750年至 1769 年间对它进行了大约十四次观测。

快速发展

1781年3月13日，天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)，用自己制造的227倍的反射望远镜考察双子座H星附近的一群小星时，发现了一颗淡绿色的星星。他让妹妹将观察的内容纪录下来，并且连续几天对其进行观察跟踪。当时他认为这可能是太阳系的天体彗星。于是他将一篇题目为《一颗彗星的报告》的论文递交给伦敦皇家自然知识促进学会。

后来数学家、天文学家和物理学家安德烈斯·约翰·莱塞尔（ Andres Johan Lexell）详细研究了该物体的轨道，他计算并揭示了该物体实际上是一颗行星。“联合天文学会”成员、柏林天文学家约翰·埃勒特·博德在对其轨道进行了类似观测后也同意了这一观点。莱克塞尔还提出，天王星的轨道表明在它之外还存在着另一颗未被发现的行星。1846 年海王星被发现时，这个理论被证明是正确的。很快，天王星作为一颗行星成为科学界的共识，到1783年，威廉·赫歇尔本人向伦敦皇家自然知识促进学会承认了这一点。为了表彰他的发现，英国国王乔治三世每年向赫歇尔提供 200 英镑的津贴，条件是他搬到温莎古堡，以便王室成员可以通过他的望远镜进行观测。赫歇尔继续观测天王星，并于 1787 年发现了该行星的两颗明亮卫星，后来命名为天卫四 (Oberon) 和天卫三 (Titania)。赫歇尔还声称在天王星周围发现了一个光环，就像土星周围的光环一样。然而，这一观察在当时并未得到证实。

1821年，巴黎天文台的数学家布瓦尔，根据新旧的观测资料，对天王星的轨道进行了计算，并发布了天王星的运行表。他的表对于1781年—1821年间的预测与实际观测非常符合，但对1781年以前的计算与观测就不符合了，以及1830年以后的计算与观测也不符合。1851年，英国商人兼天文学家威廉·拉塞尔在天王星轨道上又发现了两颗卫星，名为天卫一（Ariel）和天卫二（Umbriel）。

鼎盛时期

1948年2 月16日由柯伊柏在麦唐纳天文台发现天卫五（Prospero ）。1977年3月旅行者2号探测器发现天王星和土星一样，都被光环包围。1986年，旅行者2号探测器飞越天王星，当年的1月24日旅行者2号接近天王星81500km之内，研究了天王星的大气。并且还发现了10颗天王星卫星。2005年美国航空航天局在哈勃空间望远镜拍摄的照片中，发现天王星周围有一对新的光环，以及绕天王星运行的两颗新的小卫星。《新科学人》2017年6月17日报道称，美国国家航空航天局（NASA）“冰巨星”预研组正在积极探讨，在未来10-20年如何开展天王星和海王星的探测任务。他们计划的第一个任务是发射对天王星或海王星进行大气探测的亚轨道飞行器。几个世纪以来，人们对天王星及其卫星有了更多的发现，现在我们知道天王星至少有 13 个环和 27 个卫星。

命名

威廉·赫歇尔为了纪念他的赞助人乔治三世，决定将他的发现命名为“乔治之星”或“乔治星球”。在英国以外，这个名字并不流行，很快就有人提出了其他名字。其中包括法国天文学家杰罗姆·拉兰德（Jerome Lalande）提议将其命名为赫歇尔（ Hershel）以纪念其发现，以及瑞典天文学家埃里克·普罗斯佩林（Erik Prosperin）提议将其命名为海王星。

在1782年3月的一篇论文中，约翰·埃勒特·博德提出了天王星这个名字，它是希腊天空之神乌拉诺斯的拉丁语版本。博德认为其他行星的名字都是基于古代神话，这颗行星应该一样；乌拉诺斯是宙斯的祖父、克洛诺斯（土星）的父亲，也是希腊神话中的泰坦之王。而天王星是在木星和土星轨道之外发现的，所以这个名字非常合适。1789年，博德的同事马丁·克拉普罗斯支持他的选择，并将他新发现的元素命名为“铀”。最终，博德的建议得到了最广泛的使用，在1850年，最后的坚持者《航海年鉴》的编辑将第七颗行星名称由“Georgium Sidus” 改为天王星。

在中文、日语、朝鲜语和越南语等其他语言中，天王星被翻译为“天王星”。它的泰语正式名称为 Dao Yurenat，蒙古语 Tengeriin Van 的意思是“天空之王”，但在夏威夷语中，它的名称为 Hele'ekala，是天王星发现者赫歇尔的借词。

天王星有两个天文符号♅和⛢，⛢代表太阳和火星之矛的组合图案，因为天王星是希腊神话中天堂的化身，由太阳的光芒和火星的力量所主宰。另一个符号是约瑟夫·杰罗姆·勒弗朗索瓦·德·拉朗德 (Joseph Jérôme Lefrançois de Lalande) 在 1784 年提出的。在给威廉·赫歇尔的一封信中，拉朗德将其描述为“一个上面有你名字的第一个字母的地球仪”。

性质与特征

物化性质

物理性质

天王星的颜色是蓝绿色的，这是由于其主要由氢氦组成的大气中含有甲烷所致。这颗行星通常被称为冰巨星，因为其质量的至少 80% 是水、甲烷和氨冰的流体混合物。自被发现以来，这颗行星每 72 年向西移动 1°，然而，它与太阳的平均距离仍然保持在 20 个天文单位或 20 亿公里 - 20 亿英里左右。它距太阳最远点和最近点之间的差异约为 1.8 个天文单位。与其他巨行星相比，天王星的质量是最小的，质量为8.6811x10 25kg，大约是地球的14.5倍。它的直径略大于海王星的直径，大约是地球直径的四倍，约为51.118km。天王星的密度为1.27g/cm 3 ，是仅次于土星的第二低密度行星。该值表明它主要由各种冰组成，例如水、氨和甲烷，据推测其质量约为 9.3 至 13.5 个地球质量。其具体物理参数如下：

化学性质

天王星混合物的化学丰度比为：H:O:C:N=28:7:4:1，为了探索天王星的化学性质，科学家对其进行了分子动力学模拟，将天王星混合物与更简单的系统（例如水、甲和水-甲烷混合物（1:1））进行比较，从模拟中发现，在极端的压力和温度条件下，分子以非常快的速度离解和反应。在网状相中，由于C-C和C-N键的键寿命比其他类型的键长得多，因此模拟中观察到的有机化合物可能是团簇生长的第一阶段（主要含有碳，也含有氮））。纯甲烷的解离被认为会导致碳以金刚石的形式沉淀。但是，在甲烷的冲击恢复实验和静态高压实验中，聚集碳的存在仅在释放到环境条件时得到证实，并且并不表明碳在高压和高温下的状态。在重力的影响下，这些小团簇（比周围的流体密度更大）预计会更深地沉入天王星的核心，并构成一个巨大的重力能量源，这些能量将在行星更深处转化为热能。

如果在天王星混合物的网状相中形成的簇确实导致混合物中碳和氮含量的分离和沉淀，则人们将从流体高导电性混合物转变为基本上固体的超离子水部分，其具有相当低的碳和氮含量。导电性（仅通过质子跳跃形成离子，没有电子元件），而碳则处于金刚石相中，基本上没有导电性。

为了强调水对 P-T 空间网状部分碳化学的作用，科学家比较了甲烷、水-甲烷 (1:1) 和 SU 中 C-C 和 C-H 键的 BACF。 1.75:1 O/C 比）在 4000 K 和 176 GPa 下。发现对于富含水的混合物，C-C 键的寿命更长。这表明，与水-甲烷（1:1）混合物相比，富含水的天王星混合物有利于形成更大的碳网络或簇。这种趋势也可能是由于 N 的存在造成的。

注：上图a 表示 C–C（黑色）、C–N（蓝色）、C–O（绿色）和 C–H（红色）四键在不同温度：1837K（实线绿色阴影），4000K(虚线灰色阴影)和7260K(虚线橙色阴影），密度为3g/cm -3下分别对应于160、176和200GPa的压力；b图表示在4000K温度、3g/cm -3密度下的分子动力学模拟快照。这对应于网状相。碳为浅蓝色，氧原子为红色，氮为蓝色，氢原子被遮盖以突出碳网络的规模；c图表示不同混合物在 4000K 和176GPa下的相关函数。黑色表示C-C键，绿色表示C-O键，红色表示C-H键。实线代表合成的天王星，虚线代表水-甲烷混合物，点划线代表纯甲烷。

特征

形成与演化

天王星的形成过程，也就是行星的形成过程。50亿年前，宇宙中有一个总质量为今日太阳系几千倍的由气体和尘埃混合组成的星云。星云在万有引力的作用下逐渐收缩，同时内部出现了很多湍涡流。随后，大星云碎裂成许多小星云，其中一个小星云被称为“原始星云。原始星云在万有引力作用下继续收缩，同时自转速度变快，形状也越来越扁。最后在赤道面上形成连续的薄薄的星云盘。星云盘主要由”土物质”、"冰物质"和"气物质”组成。土物质主要是硅、镁及其氧化物，冰物质主要是碳、氮、氧及其氢化物；气物质主要是氢、氦、氖等。

星云盘内固体颗粒相互碰撞，形成新的颗粒。较大的固体颗粒在垂直分力作用下，克服了气体阻力沉降到赤道面附近，形成一个更薄的“尘层”。随着尘层内物质密度逐渐变大，出现引力不稳定，导致尘层分裂成很多小部分。每个小部分经过收缩和聚集形成“星子”，星子在碰撞过程中，小星子被大星子吞并，聚集形成星胎，其中心形成太阳。

原始行星离太阳由远有近，离太阳远的天王星，受太阳引力弱，气物质容易逃走，剩下的物质不多，密度就比气态巨行星大；此外，天王星可被吸收的物质比木星、土星少，所以成长缓慢，体积和质量相对较小。

内部结构

天王星由于其流体内部结构而没有固体表面。由气体组成的大气逐渐过渡到内部液体层。但为了更容易理解，将大气压等于 1 bar 处的旋转扁球体有条件地指定为天王星的“表面”。

天王星的内部主要由冰（水冰、甲烷冰、氨冰）和岩石组成。天王星有一个较其他行星比例较小的岩质内核，只占总质量的1/28，半径不到整个星球的20%。核心外层是地幔，最外层是行星表面。对重力场的测量表明，随着深度增加，密度逐渐增大，这可能是因为天王星内部随深度增加，逐步向岩石过渡，但也可能是由于冰物质压缩程度的增加，因此并不能确定其内部的岩石物质是否和冰物质分离。目前，更多的模型认为天王星的核心为岩石和冰质物质的混合物。此外，天王星偶极磁场源的位置偏离质心较远，因此核的外部可能是导电层。该层可能是水、氨和甲烷的混合物，但甲烷、氨等并不是很好的导电层的物质。然而，温压模拟实验表明，在该层所处的物理条件下，三者的混合物中可能会存在较多的离子如 NH4、H₃O+、OH- 等。

钻石海洋

天王星和海王星都有奇特的磁极——它们与地理极点呈大约 60 度角，研究人员提出，原因可能是钻石海洋引起的。然而钻石是一个非常难研究的问题，因为必须让钻石在实验室中熔化才能研究它。

当金刚石被加热到极端温度时，它会发生物理变化，从金刚石变成天然石墨，然后石墨熔化成液体。科学家们的提出加热钻石，同时阻止它转变成石墨。这样做不仅需要超高的热量，还需要很高的压力。研究人员以比地球海平面压力高 4000 万倍的压力液化钻石。当压力降至地球海平面的1100万倍、温度降至5万摄氏度时，液体中开始出现固体钻石块。

由于钻石是一种稀有液体，如水，其固体密度低于液体密度，因此固体钻石“冰山”可能漂浮在海王星和天王星的钻石海上。两颗行星都有使这成为可能的条件和碳：它们都由高达 10% 的碳组成。科学家们认为这些钻石都可以解释不正常的磁极。

磁场

天王星有一个特殊的、形状不规则的磁层。磁场通常与行星的自转方向一致，但天王星的磁场是倾斜的：磁轴与行星的自转轴倾斜近 60 度，并且与行星的中心偏移了三分之一行星的半径。由于磁场不平衡，天王星上的极光与两极不重合（就像地球、木星和土星上的极光一样）。天王星后面与太阳相对的磁气层尾部延伸到太空数百万英里。它的磁力线因天王星的侧向旋转而扭曲成长螺旋状。

天王星的不对称性导致天王星的磁层每天与太阳风接触一次。天王星的偶极矩是地球的50倍。人们认为这些特征是冰巨星的一个共同特征，因为海王星也有类似的位移和倾斜的磁场。对这种奇特的磁层排列的一个解释可能是由于天王星内部的液态钻石海洋会阻碍磁场。

天王星磁场参数如下：

内部热能

与其他行星相比，天王星很少或根本没有内部热能来源。研究表明，与木星或土星不同，天王星向太空辐射的能量与其从太阳接收的能量一样多。天王星只有微弱的阳光为其大气层提供能量，内部热能也很少，因此缺乏木星和土星上那种剧烈的风和云动态。目前尚不清楚为什么天王星缺乏重要的内部热能来源。

大气圈

大气成分

天王星的大气层起始于其表面，共5万千米厚，由地幔和核心所不具备的粒子构成，主要为氢（含量83±3%）和氦（含量15±3%）。氦所占的比例接近于太阳氦的含量。此外，天王星大气中碳的含量较高，碳/氢比率为太阳的30倍右， Ingersoll认为这是因为天王星离太阳较远，形成行星所需的物质较少，故在太阳系的行星中形成时间相对较晚，此时太阳已经形成，太阳风把原始行星盘中较轻的元素如氢和氦带走，导致碳的比例升高。天王星大气成分中，含量排名第三的为甲烷（含量2.3%），而天王星在可见光条件下显示蓝绿色的外观，正是由于在天王星的外层云层之上，有一层甲烷雾霾，它吸收了大部分的红光。但是，在土星和木星外层并没有甲烷雾霾层，这是因为两者表面温度相对较高，甲烷并未凝结。而天王星和海王星表面温度相对较低，甲烷则会凝结。

天王星大气参数和部分成分混合率如下：

天王星大气参数

大气的垂直结构

研究表明，天王星和海王星大气的压强和温度垂直结构很相似，他们与木星等气态巨行星有明显区别。但是由于缺少就位观测资料，只能对观测到的光谱进行反演分析。2011年，Sromovsky等人对“旅行者2号探测器”观测的数据进行再次分析，认为天王星大气的垂直结构由5个气溶胶层组成，最上层的是平流层中的雾霾层，在对流层中存在4个气溶胶层，分别是压强在0.1~1.2bar之间的上层对流层大气、1.2~2bar之间的两层较为紧凑的气溶胶层，以及压强大于2bar的底层对流大气层。2013年，Tice等人使用美国航空航天局的红外望远镜对天王星大气在0.8~1.8um的近红外光谱进行反演分析，结果显示天王星大气垂直结构只存在两个明显的分层：压强低于1bar的雾霾层；底部存在着光厚的对流层。

天王星对流层的海拔在 -300至 50km之间，压力为100至0.1bar。它是大气层最低且最稠密的部分，温度随着海拔的升高而降低。其从对流层底部 -300km处的约320K（47°C；116°F）降至 50km处的53K（-220°C；-364°F）。对流层被认为具有高度复杂的云结构，是大气的动态部分，表现出强风、明亮的云和季节变化。

天王星平流层平均海拔在50到4,000km之间，压力在0.1到 10−10bar之间。温度随着海拔高度逐渐升高，从对流层边界的 53K（−220°C；−364°F）到热层底部的 800至 850K（527 至 577°C；980 至1070°F）。加热是由甲烷和其他碳氢化合物吸收太阳紫外线和红外线辐射引起的。

云和大气环流

在计算机处理获取的假彩色图像中，可以发现天王星与其他气态巨行星相似的云带特征。这些云带和木星、土星上的云带一样平行于赤道。并且，在42°S 至50°S 之间存在一条狭长的明亮带状物，被称为"极地衣领"。这一区域被认为是甲烷密集区域。

哈勃空间望远镜在天王星上识别出了约20片亮云，并于2006年发现天王星北半球存在暗斑。相对于土星和木星，天王星的数据不是很完整，风速信息多为南北半球纬度高于20°的区域，这些区域风速与天王星自转方向一致几乎都是正的，根据推测，在20°内的赤道地区可能是负风速，这里风速可达200m/s。

气候

天王星极端的轴向倾斜会导致异常天气。据美国航空航天局称，当阳光多年来首次到达某些地区时，它会加热大气，引发巨大的春季风暴。

旅行者2号探测器于1986年盛夏时首次在天王星南部拍摄照片时，拍到只有大约10片可见云，几十年后，哈勃空间望远镜等先进望远镜使科学家们观测到了天王星上的极端天气。

2014年，天文学家第一次看到天王星上肆虐的夏季风暴。这些巨大的风暴发生在地球距离太阳最近的七年后，至于为什么巨大的风暴发生在太阳对地球的加热达到最大值之后仍然是一个谜。

天王星上的其他异常天气包括钻石雨，钻石雨会下沉到天王星和海王星等冰冷气态巨行星表面以下数千英里处。

轨道特性

天王星每 84 年绕太阳一周（天王星上的一年相当于 84 个地球年）。这就造成了天王星的南北极其中一个被太阳持续照射42年，另一个则一直处于42年的极夜之中。它与太阳的平均距离约为30亿公里。到达天王星的阳光强度约为地球上的1/400。因此天王星始终处于寒冷中。

天王星的自转周期为17小时14分钟（与地球时间相比，天王星上的一天约为17小时14分钟）。然而，就像其他气态巨行星一样，它也会经历沿其自转方向的相对较强的风。在某些纬度地区，例如从赤道到南极三分之二的地区，大气层的运动速度明显加快，因此可以在 14 小时内完成自转。天王星几乎是在轨道上躺着转动的，它的自转轴位于太阳系平面的一侧，轴向倾斜为97.77度。

天王星自转轴与太阳系平面大致平行，倾斜97.77°。这一特征使天王星的季节变化与其他行星完全不同。临近夏至时，一极持续面向太阳，而另一极则完全笼罩在黑暗中。在天王星轨道的另一侧，两极朝向太阳的方向相反，每极大约有 42 年的连续光照，而另一极则处于黑暗。在春分的时候，太阳正对着天王星的赤道，产生与大多数其他行星相似的昼夜周期。

天王星的赤道比两极更热。导致这种情况的潜在机制尚不清楚，也不知道天王星为何有如此不寻常的轴倾斜。然而，据推测，天王星在大约3到40亿年前，在太阳系形成时与一颗地球大小的原行星发生了碰撞。

1970年，国际天文学联合会决定行星或卫星的自转极位于不变平面的北侧称为北，以北纬为正。根据这个定义，天王星北半球在2007年12月6日达到最近春分点，2030年4月9日达到夏至点，2050年1月31日达到秋分点，2069年9月29日达到冬至点。

天王星轨道参数如下：

环系统

天王星环是由大量小颗粒组成的围绕天王星旋转的环形系统。1977年3月10日，柯伊伯机载天文台的 Elliot等天文学家因观测到天王星了掩盖一颗恒星，原本打算研究天王星的大气，却意外地发现在天王星遮蔽的前后，被遮蔽的恒星曾经短暂的消失了5次，由此天文学家推断天王星具有5个环，并按照距离天王星的距离从近到远依次命名为α环、β环、γ环、δ环和ε环。同年12月23日和1978年4月10日的两次天王星掩星观测又发现了4个环。科学家仔细分析了旅行者2号探测器获取的影像之后，又发现了更多的环结构。目前天王星有13个已经命名的环，数量大于木星环和海王星环，但是小于土星环。

按照与天王星的距离从近到远的顺序，依次是天卫十一R、6、5、4、α、β、η、γ、δ、λ、ε、v和μ。其中窄的主环有9个，分别是6、5、4、a、β、η、Y、δ、e；多尘环2个，分别是1986U2R和λ；外环2个，分别是μ和v。在主环之间还存在很多暗尘带和不完整的弧，这些环很暗(几何反照率≤5%～6%),可能由水冰和暗的有机化合物组成。其粒径一般在0.2～20m 之间，可能来源于一些卫星因碰撞产生的碎片。环系统的形成时间不会早于6亿年前。

天王星环系统各组成部分的主要参数如下：

卫星

与其他气态巨行星一样，天王星也有许多卫星。迄今为止，已发现27颗卫星，并以威廉·莎士比亚和亚历山大·波普作品中的人物命名。天王星卫星系统是巨行星中质量最小的。即使将所有的天王星卫星质量加起来，仍然不到海王星最大的卫星海卫一的一半。它们的表面积都比澳大利亚大陆小，而且大多数都缺乏大气层。按照卫星的规模和轨道特征，可将天王星的卫星分作三群：13颗内圈卫星、5颗主群卫星和9颗不规则卫星。它们与天王星环有着紧密的关系，可能因为环系统是由一颗或多颗小内圈卫星分裂而成。其中5颗主群卫星的质量足够大，能使自身缩成近球体。内圈卫星的轨道均位于天卫五以内，不规则卫星的轨道均位于天卫四之外，距离天王星很远，且轨道离心率和轨道倾角都很高(大部分为逆行)。其所有卫星基本参数如下：

观测与探测

天体的观测和探测，能帮助人们探索宇宙的起源和演化、寻找地外生命。天王星在20世纪的大部分时间里一直在南方星座中缓慢移动，再加上小于4角秒的小圆盘尺寸和看似平淡无奇的绿色表面，导致它是一颗长期以来被业余天文学家忽视的行星。

业余观测

观察天王星并不是特别困难，因为它处于肉眼可见度的边缘，用双目望远镜很容易看到。用典型的业余望远镜会看到一个小蓝点大小的天王星。如果将望远镜放大倍数调至200倍，就可以看到一个圆盘大小的天王星。

由于天王星的表观直径很小，因此拍摄天王星需要相当长焦距的照相机。为了获得适当的图像比例，应该将焦比设定为f/30到 f/40左右。天王星的自转速度比木星和土星慢得多，因此获得单个图像所需的时间为8到10分钟。

天王星在夜空中很难找到，尤其是位于光污染严重的地区时。为了找到天王星，人们在望远镜的瞄准镜上安装了一个简单的转轴倾角计，同时在瞄准镜的顶部放了一个指南针。观察时在方位角上移动瞄准镜，直到找到天王星。想要准确找到天王星，还可以利用观星者移动应用程序软件，它可以准确地找到天体所在的位置。观测时只需启动应用程序，搜索天王星并将手机指向指示的方向。

观测天王星的最佳时间是当其位于“冲日”位置时，因为这个时间段天王星距离地球最近，而地球恰好位于太阳和天王星之间。

专业观测

1781 年威廉·赫歇尔用家中自制的6英寸（15.2 厘米）牛顿反射镜定期观测到天王星有一个明显的圆盘和绿色的色调。经过数学家、天文学家和物理学家安德烈斯·约翰·莱塞尔对其轨道的研究和计算并揭示了天王星是一颗行星。

1870 年初，布夫汉姆先生使用了倍率为212和320的9英寸（22.8厘米）反射镜，观察到天王星圆盘上的亮点区域，并以此来估计天王星的自转周期为12小时（现代公认的周期超过17小时）。1873年1月16日晚上，罗斯勋爵使用72英寸反射镜观察天王星，虽然视野和清晰度都非常好，但他什么也没观察到。

1883年5月和6月期间，杨教授使用普林斯顿天文台的23英寸（58 厘米）折射镜观测天王星，发现了天王星上两条微弱的赤道带以及天王星上的大气活动。1884年3月18日，托隆和贝浩登两位观察者使用14英寸（35 厘米）的尼斯望远镜观察到天王星上有跟火星相似的黑点。

1934年，维尔特通过观测提出了第一个天王星内部模型，他认为天王星是由岩石核心、冰层和富含氢的大气层组成。 1951 年，来自曼彻斯特的拉姆齐提出了另一种天王星内部模型。拉姆齐认为天王星主要由甲烷、氨和水组成。

奥米拉在1981年使用哈佛大学天文台的0.23m折射镜对天王星上的云进行了七次目视观测，成功推导出天王星的自转周期。奥米拉获得的天王星自转周期值在16-16.2小时之间。

科学探测

美国航空航天局旅行者2号探测器是唯一近距离观察过天王星的航天器，其内部装有科学成像系统、紫外光谱仪、红外干涉光谱仪、光偏振计、三轴磁通量门磁力计、等离子体光谱仪、低能带电粒子实验仪器、等离子体波实验仪器、宇宙射线望远镜以及科学射电系统。1986年1月24日，旅行者2号首次访问天王星。航天器到达了距天王星云层81500公里的范围内。通过旅行者2号科学家们发现了天王星的10颗新卫星、两个新环以及比土星更强的磁场。

哈勃空间望远镜是第一台被放置在太空中的大型光学望远镜，其内部装有广角相机、宇宙起源摄谱仪、高级巡天相机、太空望远镜成像摄谱仪、近红外相机、多目标光谱仪以及精细制导传感器。哈勃望远镜可看到的范围从紫外线延伸到可见光，直至近红外线。2005年12月22日美国航空航天局宣布，根据哈勃空间望远镜拍摄的照片，发现天王星周围有一对新的光环，以及绕天王星运行的两颗新的小卫星。哈勃发现的最大环的直径是之前已知的行星环的直径的两倍。

德国德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）、罗斯托克大学和法国联邦理工学院领导的一个国际团队针对天王星和海王星开展了一项新颖的实验，证实在太阳系外围的冰巨星内确实会下“钻石雨”。

2023年4月，美国宇航局的詹姆斯·韦布空间望远镜（詹姆斯·韦伯空间望远镜）不仅捕捉到了天王星光环图像，还拍摄到它的云层和极帽。

重大事件

磁场引发地球地震

2011年3月28日，印度尼西亚的苏门塔腊岛附近海域发生强烈地震。德国《图片报》报道称这次大地震是因为天王星运行时对地球赤道附近的板块产生了影响：天王星的磁场对地球板块产生了剧烈的吸引力，造成了海底大地震。美国航空航天局内部权威科学家也支持这篇报道的观点。

发生逆行运动现象

2022年8月24日，天王星发生逆行运动现象：天王星穿过白羊座东南部恒星的向东运动将减慢直至停止，然后开始向西逆行。这一现象持续到2023年1月。行星逆行是由地球自身绕太阳运动引起的。当地球绕太阳运行时，人们的视角会发生变化，这导致天体在天空中的视位置从一侧移动到另一侧。

同时发生了和月掩天王星

2022年11月8日，同时发生了月全食和月掩天王星的现象。平时，由于月亮太过明亮，天王星从月亮背后经过时，很难被观测到。月全食发生时，正值天王星冲日，此时月球较之前暗淡许多，所以通过双目望远镜、小型天文望远镜，可以清晰看到天王星被“血月”的身影所遮挡。

“星星相吸”

2024年7月15日和16日凌晨，火星与天王星极近，上演“星星相吸”。专家介绍称，火星与天王星之间的实际距离非常遥远，出现极近现象是视觉效果。此次火星与天王星极近，其最近时刻发生在15日22时左右，二者相距仅32角秒，差一点就形成“行星互掩”现象。中国公众观测极近现象的最佳时机是在15日和16日凌晨，火星与天王星从东北方天空升起后。15日凌晨，二者相距约45角秒，16日凌晨更近一些，约34角秒。本次火星与天王星极近，火星肉眼可见，天王星肉眼则很难看到，但借助双目望远镜或小型天文望远镜就很容易观察到。通过望远镜看到在火星附近泛着蓝绿色光芒的星星，就是天王星。

学术研究

2022年5月，本诺·诺伊恩施万德和拉维特·海尔德提出了天王星和海王星的经验结构模型。通过模型，他们认为此前根据旅行者2号探测器提供的数据推测的天王星自转周期（17.24小时）并不能代表其深层内部的旋转周期。他们假设天王星有两个自转周期，并研究了不同假设的自转周期对天王星密度、摩尔质量、重力场和形状的影响。最后建议将天王星自转周期改为16.57小时。

为了研究海王星与天王星，欧文等将哈勃空间望远镜以及美国航空航天局红外望远镜收集的近红外光谱拟合到三层气溶胶模型中（该模型的最上层是采用光化学作用产生薄雾，中间层采用霾粒子作为甲烷的凝结核，最后采用霾粒子及硫化氢作为最深层）。这个模型反映了天王星和海王星之间存在显著的相似之处（包括垂直温度分布和大气成分）。