天王星成“怪咖” “推手”竟是冰天體

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”的公轉平面相近，公轉方向一致。它們中大部分也以相似的方向自轉，其南北極方向基本垂直於公轉平面。然而，天王星的自轉軸卻傾斜了98度，在公轉平面上“躺著”轉圈圈。因此，在公轉周期84年的天王星上，南北半球經歷著連續42年的漫長極晝或極夜。

是什麼造就了天王星如此奇特的運行狀態？近日，日本工業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”質量相當於地球的1—3倍。

該研究成果已發表於《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十載，但其“怪異行徑”深深地吸引著無數學者的目光。

“關於天王星‘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採訪時表示，太陽系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碰撞導致的，天王星的衛星也是在撞擊事件中產生，而且碰撞體的質量應該比較大。

天王星的體積和質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，這就像是要把一個高速轉動的陀螺撞翻，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岩質撞擊體撞擊學說。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產生一個過於緊湊的盤狀結構——尺寸比現有的天王星衛星系統小一個量級，而質量卻大兩個量級。

周禮勇進一步解釋，當岩質撞擊體與天王星發生碰撞后，會有一部分物質嵌合到天王星的岩質內核中，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“散掉”，從而拋洒出大量碎塊，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，相比岩質撞擊體理論所估計的結構相去甚遠。

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撞擊體撞擊的理論。由於撞擊時溫度升高，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星的位置，溫度隨之冷卻，從而形成冰質衛星。

“這一模型就很好地契合了天王星及其衛星系統的現狀。”周禮勇總結。

“該模型是第一個解釋天王星衛星系統結構的模型，它可能有助於解釋太陽系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個冰質系外行星，該模型也可能同樣適用。

“歪”軸或為怪異磁場“幫凶”

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“后遺症”。

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。在南半球的表面，磁場的強度低於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制的主流學說之一。”周禮勇解釋，電磁之間存在感應，磁現象往往來源於電荷的定向運動。行星內部存在能夠導電的流體，並因自轉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。地球自轉導致內部導電流體的循環流動，發生電荷定向運動，從而產生了地磁場。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沿著自轉軸方向，而天王星的怪異磁場，很可能與其被‘撞歪’的自轉軸有關。”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軸傾斜的角度大小基本上成正比，即自轉傾角越大的行星,其磁偏角的度數就越大。天王星自轉傾角高達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於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？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，引發了后續一系列的奇特現象，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面大氣正在逸散的証據。而磁場或為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。他們在進一步處理數據后得出結論：天王星上方存在一個寬約40萬公裡、長約20萬公裡的等離子粒團。這是由天王星表面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。據估算，以這樣的方式脫離天王星的大氣佔其大氣質量損失的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，因為逃逸大氣對於天體的影響是一個長期的過程，如火星在40億年的時間裡，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麼？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探尋。

“怪咖”檔案

特殊的自轉軸 在太陽系形成之初，行星形成時自轉角動量方向，基本與太陽系整體角動量方向一致，也就是說自轉軸和公轉軌道趨向於垂直。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，結果卻得到了個奇怪的現象——天王星的磁場並不在幾何中心，這是一個不對稱的狀態，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，穿越了其上方一個寬約40萬公裡、長約20萬公裡的等離子粒團，這也是科學家首次發現與冰巨星有關的等離子粒團。研究人員推斷這是由天王星表面被剝離的大氣構成的。天王星未來或與火星一樣，失去大氣層的保護。