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。在太陽系這個大“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“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行狀態(tài)?近日，日本工業(yè)大學井田茂教授領(lǐng)銜的一項研究或?qū)⒔沂驹颉Ｑ芯客ㄟ^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)量相當于地球的1—3倍。

該研究成果已發(fā)表于《自然·天文學》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，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)學者的目光。

“關(guān)于天王星‘怪異行徑’的成因，撞擊學說擁躉眾多。”南京大學天文與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，太陽系早期各大行星的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)方向應當大致相同。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“大塊頭”撞翻的對象必然也不會是個“小個子”。更何況，天王星時刻都在自轉(zhuǎn)，這就像是要把一個高速轉(zhuǎn)動的陀螺撞翻，難度更大。

此前有學者估算過，撞擊體可能與地球差不多大小。因此，學界便有了以地球為推演原型的巖質(zhì)撞擊體撞擊學說。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)小一個量級，而質(zhì)量卻大兩個量級。

周禮勇進一步解釋，當巖質(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)撞擊體理論所估計的結(jié)構(gòu)相去甚遠。

為填補以往模型的種種不完美之處，井田茂團隊提出了冰質(zhì)撞擊體撞擊的理論。由于撞擊時溫度升高，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”到遠方的氣體不會立刻被束縛住，而是擴散到當前我們觀測到衛(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，天文學家還發(fā)現(xiàn)了成千上萬個冰質(zhì)系外行星，該模型也可能同樣適用。

“歪”軸或為怪異磁場“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，磁場的強度低于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(fā)現(xiàn)天王星的磁場擁有多個極，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“特立獨行”。

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

以地球為例，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)導致內(nèi)部導電流體的循環(huán)流動，發(fā)生電荷定向運動，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。

也有學者認為，圍繞太陽運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98度，其磁偏角自然也會大很多。

“我們從上世紀80年代開始才對天王星進行較為細致的觀測和研究，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長期變化的過程?當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的“怪咖”。

2019年的一項發(fā)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面大氣正在逸散的證據(jù)。而磁場或為導致該現(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)。他們在進一步處理數(shù)據(jù)后得出結(jié)論：天王星上方存在一個寬約40萬公里、長約20萬公里的等離子粒團。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，穿越了一個平滑、閉合的等離子粒團。這樣的等離子粒團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，因為逃逸大氣對于天體的影響是一個長期的過程，如火星在40億年的時間里，逐漸失去其大氣保護，才從一個“濕星”變成了一個“干星”。所以，研究大氣逃逸對天王星的影響需要一個長期的觀測過程。

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“怪咖”身上還有太多未解的謎題，這背后隱藏的真正機制是什么?未來它還會帶來哪些奇跡?還需要眾多學者在一個較長的時間尺度上繼續(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 科學家曾經(jīng)計劃通過太陽風來測定天王星的磁場，結(jié)果卻得到了個奇怪的現(xiàn)象——天王星的磁場并不在幾何中心，這是一個不對稱的狀態(tài)，天王星南北極磁場的強度相差很多，與其他行星相比“風格迥異”。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，穿越了其上方一個寬約40萬公里、長約20萬公里的等離子粒團，這也是科學家首次發(fā)現(xiàn)與冰巨星有關(guān)的等離子粒團。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。(記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 天王星