在操場鍛煉時(shí)，如果有人頭腳同時(shí)觸地、往前“躺著蹭”，你肯定覺得十分奇怪。在太陽系這個(gè)大“操場”上就有一位這樣的“怪咖”——天王星。

在太陽系八大行星中，七個(gè)“兄弟”的公轉(zhuǎn)平面相近，公轉(zhuǎn)方向一致。它們中大部分也以相似的方向自轉(zhuǎn)，其南北極方向基本垂直于公轉(zhuǎn)平面。然而，天王星的自轉(zhuǎn)軸卻傾斜了98度，在公轉(zhuǎn)平面上“躺著”轉(zhuǎn)圈圈。因此，在公轉(zhuǎn)周期84年的天王星上，南北半球經(jīng)歷著連續(xù)42年的漫長極晝或極夜。

是什么造就了天王星如此奇特的運(yùn)行狀態(tài)?近日，日本工業(yè)大學(xué)井田茂教授領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究或?qū)⒔沂驹?。研究通過模擬指出，在太陽系早期，一顆巨型“冰塊”撞上天王星，將天王星“掀翻”致其傾斜。該“冰塊”質(zhì)量相當(dāng)于地球的1—3倍。

該研究成果已發(fā)表于《自然·天文學(xué)》期刊。

冰天體撞擊理論完善原有模型

盡管天王星距離地球很遠(yuǎn)，對它的探測歷史不過數(shù)十載，但其“怪異行徑”深深地吸引著無數(shù)學(xué)者的目光。

“關(guān)于天王星‘怪異行徑’的成因，撞擊學(xué)說擁躉眾多。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，太陽系早期各大行星的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)方向應(yīng)當(dāng)大致相同。如今天王星自轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)程度如此之大，且其衛(wèi)星也以同樣的角度偏離，很容易讓人聯(lián)想到這是由天體碰撞導(dǎo)致的，天王星的衛(wèi)星也是在撞擊事件中產(chǎn)生，而且碰撞體的質(zhì)量應(yīng)該比較大。

天王星的體積和質(zhì)量在太陽系八大行星中分列第三和第四，能將這個(gè)“大塊頭”撞翻的對象必然也不會是個(gè)“小個(gè)子”。更何況，天王星時(shí)刻都在自轉(zhuǎn)，這就像是要把一個(gè)高速轉(zhuǎn)動的陀螺撞翻，難度更大。

此前有學(xué)者估算過，撞擊體可能與地球差不多大小。因此，學(xué)界便有了以地球?yàn)橥蒲菰偷膸r質(zhì)撞擊體撞擊學(xué)說。然而，很多現(xiàn)象仍然無法得到令人滿意的解釋。

井田茂表示，以前的碰撞模型大多會產(chǎn)生一個(gè)過于緊湊的盤狀結(jié)構(gòu)——尺寸比現(xiàn)有的天王星衛(wèi)星系統(tǒng)小一個(gè)量級，而質(zhì)量卻大兩個(gè)量級。

周禮勇進(jìn)一步解釋，當(dāng)巖質(zhì)撞擊體與天王星發(fā)生碰撞后，會有一部分物質(zhì)嵌合到天王星的巖質(zhì)內(nèi)核中，導(dǎo)致天王星質(zhì)量增加。再者，激烈的撞擊過程也可能使撞擊體“散掉”，從而拋灑出大量碎塊，在天王星周圍形成“碎屑盤”，久而久之孕育成巖質(zhì)衛(wèi)星。

但現(xiàn)實(shí)中的天王星衛(wèi)星卻大多由冰物質(zhì)組成，相比巖質(zhì)撞擊體理論所估計(jì)的結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。

為填補(bǔ)以往模型的種種不完美之處，井田茂團(tuán)隊(duì)提出了冰質(zhì)撞擊體撞擊的理論。由于撞擊時(shí)溫度升高，冰質(zhì)物質(zhì)便揮發(fā)出來。距離天王星比較近的氣體被束縛，很可能從此成為天王星大氣中的一部分。碰撞的一瞬間，“逃逸”到遠(yuǎn)方的氣體不會立刻被束縛住，而是擴(kuò)散到當(dāng)前我們觀測到衛(wèi)星的位置，溫度隨之冷卻，從而形成冰質(zhì)衛(wèi)星。

“這一模型就很好地契合了天王星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)狀。”周禮勇總結(jié)。

“該模型是第一個(gè)解釋天王星衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型，它可能有助于解釋太陽系中其他冰冷行星的結(jié)構(gòu)，例如海王星。”井田茂表示，除此之外，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了成千上萬個(gè)冰質(zhì)系外行星，該模型也可能同樣適用。

“歪”軸或?yàn)楣之惔艌?ldquo;幫兇”

撞擊事件會給天王星帶來哪些影響?周禮勇表示，天王星的怪異磁場可能就是撞擊事件遺留下的“后遺癥”。

太陽系中，大部分大行星都有磁場，雖有強(qiáng)有弱，但幾乎都是圍繞目轉(zhuǎn)軸形成的。因此，行星上的磁極與地理極雖不重合，存在磁偏角，但通常也不會差太多。例如，我國各地磁偏角略有不同，最大約為6度，一般為2—3度。

然而，天王星的磁場與自轉(zhuǎn)方向卻并不相近。天王星的磁場并不在幾何中心，而是呈現(xiàn)出極不對稱的“歪”狀態(tài)。在南半球的表面，磁場的強(qiáng)度低于0.1高斯，而在北半球的強(qiáng)度卻可高達(dá)1.1高斯。上世紀(jì)80年代，“旅行者2號”還發(fā)現(xiàn)天王星的磁場擁有多個(gè)極，而且磁偏角很大，有50度左右。對比類地行星的一些常見規(guī)律來看，天王星簡直是“特立獨(dú)行”。

“發(fā)電機(jī)理論是行星磁場形成機(jī)制的主流學(xué)說之一。”周禮勇解釋，電磁之間存在感應(yīng)，磁現(xiàn)象往往來源于電荷的定向運(yùn)動。行星內(nèi)部存在能夠?qū)щ姷牧黧w，并因自轉(zhuǎn)導(dǎo)致流體沿著同一方向流動，從而形成磁場。

以地球?yàn)槔?，地球深處高溫高壓的物理環(huán)境迫使地核中的鐵、鎳等原子被電離出具有足夠動能的電子。地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)電流體的循環(huán)流動，發(fā)生電荷定向運(yùn)動，從而產(chǎn)生了地磁場。因此，自轉(zhuǎn)很慢的行星磁場往往較微弱甚至沒有磁場，例如水星、金星等。

“因此，行星磁場的方向通常會沿著自轉(zhuǎn)軸方向，而天王星的怪異磁場，很可能與其被‘撞歪’的自轉(zhuǎn)軸有關(guān)。”周禮勇說。

也有學(xué)者認(rèn)為，圍繞太陽運(yùn)行的各行星磁偏角的大小跟行星自轉(zhuǎn)軸傾斜的角度大小基本上成正比，即自轉(zhuǎn)傾角越大的行星,其磁偏角的度數(shù)就越大。天王星自轉(zhuǎn)傾角高達(dá)98度，其磁偏角自然也會大很多。

“我們從上世紀(jì)80年代開始才對天王星進(jìn)行較為細(xì)致的觀測和研究，至今也不過40余載。天王星的磁場或其他特性是否處于一個(gè)長期變化的過程?當(dāng)前的觀測是否只是天王星漫長生命中的瞬態(tài)?這些問題尚不得而知，需要時(shí)間去解答。”周禮勇說。

舊數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)大氣逃逸現(xiàn)象

誰也沒想到，在天王星形成初期發(fā)生的撞擊事件，就像第一塊倒下的多米諾骨牌，引發(fā)了后續(xù)一系列的奇特現(xiàn)象，將這顆冰巨星打造成了名副其實(shí)的“怪咖”。

2019年的一項(xiàng)發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》上的研究成果顯示，研究人員找到了天王星表面大氣正在逸散的證據(jù)。而磁場或?yàn)閷?dǎo)致該現(xiàn)象的原因之一。

美國國家航空航天局(NASA)研究人員吉娜·迪布拉西奧等人重新檢查了“旅行者2號”在1986年1月收集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動，即磁場爆發(fā)。他們在進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)后得出結(jié)論：天王星上方存在一個(gè)寬約40萬公里、長約20萬公里的等離子粒團(tuán)。這是由天王星表面被剝離的大氣構(gòu)成的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，“旅行者2號”飛越天王星時(shí)，穿越了一個(gè)平滑、閉合的等離子粒團(tuán)。這樣的等離子粒團(tuán)是由等離子體和磁場形成的合成結(jié)構(gòu)，主要由天王星的部分電離大氣和其磁場耦合形成，受太陽風(fēng)等因素影響，從天王星磁場的尾端脫離，就仿佛是太陽從天王星吸取出大氣一樣。據(jù)估算，以這樣的方式脫離天王星的大氣占其大氣質(zhì)量損失的15%—55%。該比例要比木星或土星更高，因此這很可能是天王星將大氣釋放到太空的主要方式。

逃逸的大氣對于天王星會有怎樣的影響?憑人類目前對天王星的觀測歷史很難斷言，因?yàn)樘右荽髿鈱τ谔祗w的影響是一個(gè)長期的過程，如火星在40億年的時(shí)間里，逐漸失去其大氣保護(hù)，才從一個(gè)“濕星”變成了一個(gè)“干星”。所以，研究大氣逃逸對天王星的影響需要一個(gè)長期的觀測過程。

在研究人員看來，行星磁場既可以保護(hù)其大氣層免受太陽風(fēng)的侵害，也可以加速表面氣體逃逸。顯然，該研究顯示天王星的磁場在這一過程中起到了推波助瀾的作用。

總之，天王星這個(gè)“怪咖”身上還有太多未解的謎題，這背后隱藏的真正機(jī)制是什么?未來它還會帶來哪些奇跡?還需要眾多學(xué)者在一個(gè)較長的時(shí)間尺度上繼續(xù)探尋。

“怪咖”檔案

特殊的自轉(zhuǎn)軸 在太陽系形成之初，行星形成時(shí)自轉(zhuǎn)角動量方向，基本與太陽系整體角動量方向一致，也就是說自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軌道趨向于垂直。但是天王星的自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軌道夾角高達(dá)97.77度，天王星幾乎是橫躺著自轉(zhuǎn)，顯得非常特殊。

長“歪”了的磁場 科學(xué)家曾經(jīng)計(jì)劃通過太陽風(fēng)來測定天王星的磁場，結(jié)果卻得到了個(gè)奇怪的現(xiàn)象——天王星的磁場并不在幾何中心，這是一個(gè)不對稱的狀態(tài)，天王星南北極磁場的強(qiáng)度相差很多，與其他行星相比“風(fēng)格迥異”。在同為冰巨星的海王星上也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，科學(xué)家推測這可能是冰巨星的特征之一。

逃逸的大氣 “旅行者2號”飛越天王星時(shí)，穿越了其上方一個(gè)寬約40萬公里、長約20萬公里的等離子粒團(tuán)，這也是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)與冰巨星有關(guān)的等離子粒團(tuán)。研究人員推斷這是由天王星表面被剝離的大氣構(gòu)成的。天王星未來或與火星一樣，失去大氣層的保護(hù)。(記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 天王星