科學家們提出有關天王星旋轉軸傾斜的新假說

2020-08-14 天文在線

　　天王星總是獨具個性。在太陽系中，大多數行星的極點都幾乎朝向同一個方向。從上向下看，絕大多數行星都以逆時針方向旋轉。但是天王星呢？它的旋轉軸與軌道成98度傾斜角，並且以順時針方向旋轉。

　　躺著自轉的天王星（圖片來源：Wikipedia）

　　對於這種奇特的現象，一個有影響力的假說提出了這樣的解釋——很久以前，一個龐然大物撞上了天王星，並使它發生傾斜。儘管這種設想並非毫無可能，但是在它的模型中，火星上應該存在著幾個明顯的巨洞。

　　不過別擔心，馬裡蘭大學的天文學家提出了一個全新的設想，以此明確簡練地解決這些問題。天王星並沒有因彗星的撞擊而摔倒。但是它有可能因一個巨大行星環的影響而發生傾斜。

　　環系統示意圖（圖片來源：sina）

　　「稍等，」你肯定會想，「天王星並沒有一個巨大的行星環。」確實如此。至少現在，它並沒有。相比於土星行星環的巨大體量，天王星的行星環模糊又纖細。

　　然而，近來由卡西尼號探測器傳回的證據顯示，行星環可能是短命的。所以，在其長達45億年的生命中，天王星可能在某段時間擁有一個相比於現在大得多的行星環。

　　撞擊模型存在的問題主要在於它對於天王星周圍物體的關注。以海王星為例，海王星和天王星擁有相似的旋轉周期。

　　海王星和它的行星環（圖片來源：hrbgxl）

　　正如木星和土星一樣，兩者旋轉周期的相似性說明他們曾經一起產生。如果把其他足以導致天王星傾斜的因素考慮在內的話，旋轉周期相似的概率將大大降低。

　　天王星的衛星也是一個問題。因外來影響而產生的突然傾斜很有可能擾亂天王星的行星系統，並使其失去平衡。然而這個冰凍星球的行星們在相對大小和間距上與伽利略衛星相似。

　　那些衛星也布滿冰層。足以使行星傾斜的衝擊力會產生足夠的熱量，使得衛星上的冰層蒸發殆盡，讓衛星表層的絕大部分被巖石覆蓋。然而，天王星所有主要行星的表層都擁有至少相同面積的冰雪和巖石。

　　冰凍行星（圖片來源：Wikipedia）

　　來自馬裡蘭大學的天文學家澤夫·羅戈申斯基（Zeeve Rogoszinski）和道格拉斯·漢密爾頓（Douglas Hamilton）認為這些問題可以被解決。但其前提有二：一是天王星擁有一個大到足以使它像旋轉的陀螺一樣在旋轉軸上擺動的行星環，這種現象被稱作歲差現象；二是這種歲差現象和行星的軌道歲差現象相一致。其中，軌道歲差現象是指，橢圓形的軌道圍繞著太陽緩緩地改變位置。

　　下圖將為您再現這兩個天文學概念。

　　自轉歲差現象（左）與軌道歲差現象（右）。圖片來源：Robert Simmon/NASA; WillowW/Wikimedia Commons

　　這種動作協調被稱為共振，它已經在太陽系中的兩個或更多天體的軌道之間發生過幾次。比如，冥王星和海王星之間存在一個2：3的軌道共振，也就意味著，冥王星每繞太陽兩圈，海王星即繞太陽三圈。

　　行星歲差和它的軌道歲差之間的共振被稱為長期的旋轉軌道共振，它可能會產生大幅度的軸傾斜。普遍認為，這種類型的共振可能會在土星上引起比木星更嚴重的軸傾斜。

　　在此之前，這種長期的旋轉軌道共振也被認為和天王星的軸傾斜有關，但是必須要和由假設的行星9引起的共振聯繫在一起才能起作用。最終，因為過於脫離實際，這種假說被人們拋棄。

　　但是羅戈申斯基和漢密爾頓認為，一個大型的環形系統可能更加符合事實。他們對天王星和海王星進行了模擬實驗。在這個實驗中，天王星和海王星都被賦予大型的環形系統。研究人員以此來觀察他們如何與行星相互作用。他們發現，由依附在行星上的物質組成的大型環狀系統是最貼近事實的。而這種物質正是巨行星形成過程的組成部分。

　　太陽系行星軌道（圖片來源：Wikipedia）

　　儘管這項實驗得出了所有模型中最好的結果，但它仍然無法使天王星完全俯臥。在100萬年的時間裡，它僅僅導致了70度的傾斜。這意味著大繁榮理論依然有用武之地。

　　然而，任何撞向天王星並使能其繼續傾斜至當前角度的巖石都要小得多，因此更具可能性。

　　「儘管我們很少能產生超過70度的傾斜，也無法使傾斜超過90度，然而，如果在此之後與一個約二分之一地球質量的天體相撞，天王星將能從70度傾斜至98度。」研究人員們在論文中寫到。

　　天體撞擊（圖片來源：Wikipedia）

　　減少巨型撞擊物的質量並將其數量由2個及以上降低為僅僅1個，能將目前天王星旋轉狀態產生的可能性提升大約一個數量級。

　　然而這僅僅只是目前的假說，並未最終確定下來。但有一點是毋庸置疑的：無論是否存在彗星雨，對天王星來說，那一定是一段瘋狂的時光。

　　作者: MICHELLE STARR

　　FY: Roman

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