Hệ thống vệ tinh Sao Thiên Vương có khối lượng nhỏ nhất trong số các hành tinh khí khổng lồ; thực vậy, tổng khối lượng của năm vệ tinh chính ít hơn một nửa khối lượng của một mình Triton (vệ tinh lớn thứ bảy trong Hệ Mặt Trời).[ct 1] Vệ tinh lớn nhất trong hệ, Titania, có bán kính khoảng 788,9 km,[18] hay nhỏ hơn một nửa Mặt Trăng, nhưng nặng chỉ hơn nửa Rhea, vệ tinh lớn thứ hai của Sao Thổ, khiến Titania trở thành vệ tinh lớn thứ tám trong Hệ Mặt Trời. Sao Thiên Vương nặng gấp 10.000 lần khối lượng các vệ tinh của nó.[ct 2]

Vệ tinh vòng trong

Lược đồ hệ thống vệ tinh - vành đai Sao Thiên Vương

Tính đến năm 2008, Sao Thiên Vương được biết có 13 vệ tinh vòng trong.[12] Quỹ đạo của chúng nằm bên trong Miranda. Tất cả vệ tinh vòng trong đều có liên hệ mật thiết với vành đai Sao Thiên Vương, có lẽ là kết quả của sự tan vỡ của một hay nhiều vệ tinh vòng trong.[19] Hai vệ tinh trong cùng (Cordelia và Ophelia) có vai trò vệ tinh dẫn đầu của vành đai ε, trong khi vệ tinh nhỏ Mab là gốc giới hạn ngoài của vành đai μ.[12]

Vệ tinh Puck, với đường kính 162 km, là vệ tinh vòng trong lớn nhất của Sao Thiên Vương. Puck và Mab là 2 vệ tinh vòng trong xa nhất. Tất cả các vệ tinh vòng trong đều khá tối; suất phản chiếu hình học của chúng không vượt quá 10%.[20] Chúng được cấu tạo từ băng lẫn với một loại tạp chất màu đen - có thể là chất hữu cơ dưới tác dụng của bức xạ.[21]

Các vệ tinh nhỏ vòng trong làm xáo trộn lẫn nhau. Đây là một hệ thống hỗn loạn và không ổn định. Các mô phỏng cho thấy các vệ tinh có thể làm xáo trộn quỹ đạo của nhau, mà kết quả có thể dẫn đến sự va chạm giữa các vệ tinh.[12] Desdemona có thể va chạm với Cressida hay Juliet trong 100 triệu năm tới.[22]

Mười ba vệ tinh vòng trong của Sao Thiên Vương gồm có:

• Cordelia và Ophelia
• Bianca
• Cressida
• Desdemona
• Juliet
• Portia
• Rosalind
• Cupid
• Belinda
• Perdita
• Puck
• Mab

Vệ tinh lớn

Sao Thiên Vương có năm vệ tinh lớn: Miranda, Ariel, Umbriel, Titania và Oberon. Phạm vi đường kính của chúng từ 472 km như Miranda tới 1578 km như Titania.[18] Tất cả các vệ tinh lớn đếu là các thiên thể tương đối tối: suất phản chiếu hình học của chúng thay đổi trong phạm vị 30–50%, trong khi suất phản chiếu liên kết nằm trong khoảng 10–23%.[20] Umbriel là vệ tinh tối nhất và Ariel là vệ tinh sáng nhất. Khối lượng các vệ tinh nằm trong khoảng 6,7 × 1019 kg (Miranda) tới 3,5 × 1021 kg (Titania)—nếu so sánh, Mặt Trăng của Trái Đất có khối lượng là 7,5 × 1022 kg.[23] Các vệ tinh chính của Sao Thiên Vương được tin là được hình thành trong một đĩa bồi tụ, tồn tại xung quanh Sao Thiên Vương trong thời kì đầu.[24][25]

Năm vệ tinh lớn nhất của Sao Thiên Vương được so sánh bằng kích thước tương đối và độ sáng. Tứ trái sang phải (theo thứ tự từ Sao Thiên Vương trở ra): Miranda, Ariel, Umbriel, Titania và Oberon.

Tất cả các vệ tinh chính bao gồm đồng đều đá và băng, trừ Miranda, được cấu tạo phần lớn từ băng.[26] Thành phần của băng có thể bao gồm amoniac và carbon dioxit.[27] Bề mặt của chúng là các miệng hố lớn, dù tất cả chúng (trừ Umbriel) cho thấy dấu hiệu nội sinh tái tạo bề mặt trong hình dạng các đường nét (hẻm núi) và, trong trường hợp của Miranda, là các cấu trúc được gọi là coronae. Sự mở rộng tiến trình liên kết với các nếp uốn diapir hướng lên có thể chịu trách nhiệm về nguồn gốc của coronae.[28] Bề mặt của vệ tinh Ariel là trẻ nhất với rất ít hố va chạm, trong khi đó bề mặt của Umbriel lại dường như là già nhất. Các nhà thiên văn cho rằng có một quỹ đạo cộng hưởng 3:1 trong quá khứ giữa Miranda và Umbriel và một quỹ đạo cộng hưởng khác 4:1 giữa Ariel và Titania có thể phù hợp cho hoạt động năng lượng nội sinh phát ra nhiệt của Miranda và Ariel.[29][30] Một chứng cớ cho những quỹ đạo cộng hưởng trong quá khứ đó là độ nghiêng quỹ đạo rất lớn không bình thường của Miranda đối với các thiên thể gần hành tinh.[31][32] Các vệ tinh lớn nhất của nhất của Sao Thiên Vương có cấu tạo bên trong rất khác nhau, với các nhân đá tại tâm của chúng được bao bọc bởi các lớp phủ băng.[26] Titania và Oberon có thể chứa các đại dương chất lỏng tại ranh giới nhân và lớp phủ. Các vệ tinh chính của Sao Thiên Vương không có bầu khí quyển. Ví dụ, Titania nếu tồn tại bầu khí quyển thì áp suất bầu khí quyển của nó chỉ không lớn hơn 10–20 nanobar.[33]

Tác phẩm của họa sĩ về đường di chuyển của Mặt Trời vào mùa hè trên một vệ tinh lớn của Sao Thiên Vương

Khi quan sát sự di chuyển của Mặt Trời trên bầu trời và trong những ngày cục bộ ở Sao Thiên Vương và các vệ tinh chính của nó trong quá trình chúng ở chí điểm (so với Sao Thiên Vương và so với Mặt Trời) là rất khác so với khi nhìn ở những nơi khác trong Hệ Mặt Trời. Các vệ tinh chính có trục quay song song với trục quay của Sao Thiên Vương. Mặt Trời hiện trên một đường tròn xung quanh thiên cực của Sao Thiên Vương trên bầu trời, với điểm gần nhất cách cực 7 độ.[ct 3] Gần đường xích đạo, có thể nhìn Mặt Trời gần ở phía nam hoặc phía bắc (phụ thuộc vào mùa). Tại những vĩ độ lớn hơn 7°, Mặt Trời sẽ đi theo một đường tròn với đường kính 15 độ trên bầu trời, và không bao giờ lặn.

Vệ tinh dị hình

Các vệ tinh dị hình của Sao Thiên Vương. Trục X được thể hiện ở Gm (triệu km) và theo tỷ lệ của bán kính quyển Hill. Độ lệch tâm được thể hiện bởi các phân đoạn màu vàng được biểu diễn nghiêng trên trục Y.

Cho đến 2005, Sao Thiên Vương được biết có 9 vệ tinh dị hình, với quỹ đạo xa hơn nhiều so với Oberon, vệ tinh lớn xa nhất. Tất cả các vệ tinh dị hình dường như là những thiên thể bị bắt giữ bởi Sao Thiên Vương sau khi hành tinh này hình thành.[1] Sơ đồ minh hoạ chuyển động của các vệ tinh dị hình được phát hiện tính đến ngày nay. Bán kính quyển Hill xấp xỉ 73 triệu km.[1]

Phạm vi kích thước của các vệ tinh dị hình là từ khoảng 150 km (Sycorax) tới 18 km (Trinculo).[1] Không như các vệ tinh dị hình của Sao Mộc, Sao Thiên Vương không thể hiện trục tương quan so với độ nghiêng. Thay vào đó, các vệ tinh nghịch hành có thể chia thành hai nhóm dựa trên trục/độ lệch tâm quỹ đạo. Nhóm phía trong bao gồm các vệ tinh ở gần Sao Thiên Vương hơn (a < 0,15 rH) và có độ lệch tâm vừa phải (~0,2), cụ thể là Francisco, Caliban, Stephano và Trinculo.[1] Nhóm phía ngoài (a > 0,15 rH) bao gồm các vệ tinh có độ lệch lớn (~0,5): Sycorax, Prospero, Setebos và Ferdinand.[1]

Các mặt phẳng quỹ đạo với độ nghiêng 60° < i < 140° không tồn tại một vệ tinh nào do sự bất ổn định Kozai.[1] Trong vùng bất ổn định này, các nhiễu loạn trong Hệ Mặt Trời tại những khoảng cách xa nhất làm cho các vệ tinh có độ lệch tâm lớn dẫn đến sự va chạm của chúng với các vệ tinh bên trong hay bị đẩy ra khỏi Sao Thiên Vương. Thời gian sống của các vệ tinh trong vùng bất ổn định khoảng từ 10 triệu đến một tỷ năm tuổi[1]

Vệ tinh Margaret là vệ tinh dị hình duy nhất được biết đến có chuyển động quay cùng hướng với Sao Thiên Vương, và hiện nay nó có độ lệch tâm quỹ đạo lớn nhất trong số các vệ tinh trong Hệ Mặt Trời, mặc dù vệ tinh Nereid của Sao Hải Vương có độ lệch tâm trung bình cao hơn. Đến năm 2008, độ lệch tâm của Margaret là 0,7979.[34]