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

        在太陽係八大行星中，七個(ge) “兄弟”的公轉平麵相近，公轉方向一致。它們(men) 中大部分也以相似的方向自轉，其南北極方向基本垂直於(yu) 公轉平麵。然而，天王星的自轉軸卻傾(qing) 斜了98度，在公轉平麵上“躺著”轉圈圈。因此，在公轉周期84年的天王星上，南北半球經曆著連續42年的漫長極晝或極夜。

        是什麽(me) 造就了天王星如此奇特的運行狀態？近日，日本工業(ye) 大學井田茂教授領銜的一項研究或將揭示原因。研究通過模擬指出，在太陽係早期，一顆巨型“冰塊”撞上天王星，將天王星“掀翻”致其傾(qing) 斜。該“冰塊”質量相當於(yu) 地球的1—3倍。

        該研究成果已發表於(yu) 《自然·天文學》期刊。

        冰天體(ti) 撞擊理論完善原有模型

        盡管天王星距離地球很遠，對它的探測曆史不過數十載，但其“怪異行徑”深深地吸引著無數學者的目光。

        “關(guan) 於(yu) 天王星‘怪異行徑’的成因，撞擊學說擁躉眾(zhong) 多。”南京大學天文與(yu) 空間科學學院教授周禮勇在接受科技日報記者采訪時表示，太陽係早期各大行星的公轉、自轉方向應當大致相同。如今天王星自轉軸偏轉程度如此之大，且其衛星也以同樣的角度偏離，很容易讓人聯想到這是由天體(ti) 碰撞導致的，天王星的衛星也是在撞擊事件中產(chan) 生，而且碰撞體(ti) 的質量應該比較大。

        天王星的體(ti) 積和質量在太陽係八大行星中分列第三和第四，能將這個(ge) “大塊頭”撞翻的對象必然也不會(hui) 是個(ge) “小個(ge) 子”。更何況，天王星時刻都在自轉，這就像是要把一個(ge) 高速轉動的陀螺撞翻，難度更大。

        此前有學者估算過，撞擊體(ti) 可能與(yu) 地球差不多大小。因此，學界便有了以地球為(wei) 推演原型的岩質撞擊體(ti) 撞擊學說。然而，很多現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(hui) 產(chan) 生一個(ge) 過於(yu) 緊湊的盤狀結構——尺寸比現有的天王星衛星係統小一個(ge) 量級，而質量卻大兩(liang) 個(ge) 量級。

        周禮勇進一步解釋，當岩質撞擊體(ti) 與(yu) 天王星發生碰撞後，會(hui) 有一部分物質嵌合到天王星的岩質內(nei) 核中，導致天王星質量增加。再者，激烈的撞擊過程也可能使撞擊體(ti) “散掉”，從(cong) 而拋灑出大量碎塊，在天王星周圍形成“碎屑盤”，久而久之孕育成岩質衛星。

        但現實中的天王星衛星卻大多由冰物質組成，相比岩質撞擊體(ti) 理論所估計的結構相去甚遠。

        為(wei) 填補以往模型的種種不完美之處，井田茂團隊提出了冰質撞擊體(ti) 撞擊的理論。由於(yu) 撞擊時溫度升高，冰質物質便揮發出來。距離天王星比較近的氣體(ti) 被束縛，很可能從(cong) 此成為(wei) 天王星大氣中的一部分。碰撞的一瞬間，“逃逸”到遠方的氣體(ti) 不會(hui) 立刻被束縛住，而是擴散到當前我們(men) 觀測到衛星的位置，溫度隨之冷卻，從(cong) 而形成冰質衛星。

        “這一模型就很好地契合了天王星及其衛星係統的現狀。”周禮勇總結。

        “該模型是第一個(ge) 解釋天王星衛星係統結構的模型，它可能有助於(yu) 解釋太陽係中其他冰冷行星的結構，例如海王星。”井田茂表示，除此之外，天文學家還發現了成千上萬(wan) 個(ge) 冰質係外行星，該模型也可能同樣適用。

        “歪”軸或為(wei) 怪異磁場“幫凶”

        撞擊事件會(hui) 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“後遺症”。

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

        然而，天王星的磁場與(yu) 自轉方向卻並不相近。天王星的磁場並不在幾何中心，而是呈現出極不對稱的“歪”狀態。在南半球的表麵，磁場的強度低於(yu) 0.1高斯，而在北半球的強度卻可高達1.1高斯。上世紀80年代，“旅行者2號”還發現天王星的磁場擁有多個(ge) 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律來看，天王星簡直是“特立獨行”。

        “發電機理論是行星磁場形成機製的主流學說之一。”周禮勇解釋，電磁之間存在感應，磁現象往往來源於(yu) 電荷的定向運動。行星內(nei) 部存在能夠導電的流體(ti) ，並因自轉導致流體(ti) 沿著同一方向流動，從(cong) 而形成磁場。

        以地球為(wei) 例，地球深處高溫高壓的物理環境迫使地核中的鐵、鎳等原子被電離出具有足夠動能的電子。地球自轉導致內(nei) 部導電流體(ti) 的循環流動，發生電荷定向運動，從(cong) 而產(chan) 生了地磁場。因此，自轉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(hui) 沿著自轉軸方向，而天王星的怪異磁場，很可能與(yu) 其被‘撞歪’的自轉軸有關(guan) 。”周禮勇說。

        也有學者認為(wei) ，圍繞太陽運行的各行星磁偏角的大小跟行星自轉軸傾(qing) 斜的角度大小基本上成正比，即自轉傾(qing) 角越大的行星,其磁偏角的度數就越大。天王星自轉傾(qing) 角高達98度，其磁偏角自然也會(hui) 大很多。

        “我們(men) 從(cong) 上世紀80年代開始才對天王星進行較為(wei) 細致的觀測和研究，至今也不過40餘(yu) 載。天王星的磁場或其他特性是否處於(yu) 一個(ge) 長期變化的過程？當前的觀測是否隻是天王星漫長生命中的瞬態？這些問題尚不得而知，需要時間去解答。”周禮勇說。

        舊數據中發現大氣逃逸現象

        誰也沒想到，在天王星形成初期發生的撞擊事件，就像第一塊倒下的多米諾骨牌，引發了後續一係列的奇特現象，將這顆冰巨星打造成了名副其實的“怪咖”。

        2019年的一項發表在《地球物理研究快報》上的研究成果顯示，研究人員找到了天王星表麵大氣正在逸散的證據。而磁場或為(wei) 導致該現象的原因之一。

        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月收集的數據，發現數據出現波動，即磁場爆發。他們(men) 在進一步處理數據後得出結論：天王星上方存在一個(ge) 寬約40萬(wan) 公裏、長約20萬(wan) 公裏的等離子粒團。這是由天王星表麵被剝離的大氣構成的。

        研究人員發現，“旅行者2號”飛越天王星時，穿越了一個(ge) 平滑、閉合的等離子粒團。這樣的等離子粒團是由等離子體(ti) 和磁場形成的合成結構，主要由天王星的部分電離大氣和其磁場耦合形成，受太陽風等因素影響，從(cong) 天王星磁場的尾端脫離，就仿佛是太陽從(cong) 天王星吸取出大氣一樣。據估算，以這樣的方式脫離天王星的大氣占其大氣質量損失的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。

        逃逸的大氣對於(yu) 天王星會(hui) 有怎樣的影響？憑人類目前對天王星的觀測曆史很難斷言，因為(wei) 逃逸大氣對於(yu) 天體(ti) 的影響是一個(ge) 長期的過程，如火星在40億(yi) 年的時間裏，逐漸失去其大氣保護，才從(cong) 一個(ge) “濕星”變成了一個(ge) “幹星”。所以，研究大氣逃逸對天王星的影響需要一個(ge) 長期的觀測過程。

        在研究人員看來，行星磁場既可以保護其大氣層免受太陽風的侵害，也可以加速表麵氣體(ti) 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(ge) “怪咖”身上還有太多未解的謎題，這背後隱藏的真正機製是什麽(me) ？未來它還會(hui) 帶來哪些奇跡？還需要眾(zhong) 多學者在一個(ge) 較長的時間尺度上繼續探尋。

        “怪咖”檔案

        特殊的自轉軸 在太陽係形成之初，行星形成時自轉角動量方向，基本與(yu) 太陽係整體(ti) 角動量方向一致，也就是說自轉軸和公轉軌道趨向於(yu) 垂直。但是天王星的自轉軸和公轉軌道夾角高達97.77度，天王星幾乎是橫躺著自轉，顯得非常特殊。

        長“歪”了的磁場 科學家曾經計劃通過太陽風來測定天王星的磁場，結果卻得到了個(ge) 奇怪的現象——天王星的磁場並不在幾何中心，這是一個(ge) 不對稱的狀態，天王星南北極磁場的強度相差很多，與(yu) 其他行星相比“風格迥異”。在同為(wei) 冰巨星的海王星上也發現了類似的規律，科學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，穿越了其上方一個(ge) 寬約40萬(wan) 公裏、長約20萬(wan) 公裏的等離子粒團，這也是科學家首次發現與(yu) 冰巨星有關(guan) 的等離子粒團。研究人員推斷這是由天王星表麵被剝離的大氣構成的。天王星未來或與(yu) 火星一樣，失去大氣層的保護。

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