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天王星成“怪咖” “推手”竟是冰天体

2020年06月28日 14:32 | 来源:科技日报
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在操场锻炼时,如果有人头脚同时触地、往前“躺着蹭”,你肯定觉得十分奇怪。在太阳系这个大“操场”上就有一位这样的“怪咖”——天王星。

在太阳系八大行星中,七个“兄弟”的公转平面相近,公转方向一致。它们中大部分也以相似的方向自转,其南北极方向基本垂直于公转平面。然而,天王星的自转轴却倾斜了98度,在公转平面上“躺着”转圈圈。因此,在公转周期84年的天王星上,南北半球经历着连续42年的漫长极昼或极夜。

是什么造就了天王星如此奇特的运行状态?近日,日本工业大学井田茂教授领衔的一项研究或将揭示原因。研究通过模拟指出,在太阳系早期,一颗巨型“冰块”撞上天王星,将天王星“掀翻”致其倾斜。该“冰块”质量相当于地球的1—3倍。

该研究成果已发表于《自然·天文学》期刊。

冰天体撞击理论完善原有模型

尽管天王星距离地球很远,对它的探测历史不过数十载,但其“怪异行径”深深地吸引着无数学者的目光。

“关于天王星‘怪异行径’的成因,撞击学说拥趸众多。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇在接受科技日报记者采访时表示,太阳系早期各大行星的公转、自转方向应当大致相同。如今天王星自转轴偏转程度如此之大,且其卫星也以同样的角度偏离,很容易让人联想到这是由天体碰撞导致的,天王星的卫星也是在撞击事件中产生,而且碰撞体的质量应该比较大。

天王星的体积和质量在太阳系八大行星中分列第三和第四,能将这个“大块头”撞翻的对象必然也不会是个“小个子”。更何况,天王星时刻都在自转,这就像是要把一个高速转动的陀螺撞翻,难度更大。

此前有学者估算过,撞击体可能与地球差不多大小。因此,学界便有了以地球为推演原型的岩质撞击体撞击学说。然而,很多现象仍然无法得到令人满意的解释。

井田茂表示,以前的碰撞模型大多会产生一个过于紧凑的盘状结构——尺寸比现有的天王星卫星系统小一个量级,而质量却大两个量级。

周礼勇进一步解释,当岩质撞击体与天王星发生碰撞后,会有一部分物质嵌合到天王星的岩质内核中,导致天王星质量增加。再者,激烈的撞击过程也可能使撞击体“散掉”,从而抛洒出大量碎块,在天王星周围形成“碎屑盘”,久而久之孕育成岩质卫星。

但现实中的天王星卫星却大多由冰物质组成,相比岩质撞击体理论所估计的结构相去甚远。

为填补以往模型的种种不完美之处,井田茂团队提出了冰质撞击体撞击的理论。由于撞击时温度升高,冰质物质便挥发出来。距离天王星比较近的气体被束缚,很可能从此成为天王星大气中的一部分。碰撞的一瞬间,“逃逸”到远方的气体不会立刻被束缚住,而是扩散到当前我们观测到卫星的位置,温度随之冷却,从而形成冰质卫星。

“这一模型就很好地契合了天王星及其卫星系统的现状。”周礼勇总结。

“该模型是第一个解释天王星卫星系统结构的模型,它可能有助于解释太阳系中其他冰冷行星的结构,例如海王星。”井田茂表示,除此之外,天文学家还发现了成千上万个冰质系外行星,该模型也可能同样适用。

“歪”轴或为怪异磁场“帮凶”

撞击事件会给天王星带来哪些影响?周礼勇表示,天王星的怪异磁场可能就是撞击事件遗留下的“后遗症”。

太阳系中,大部分大行星都有磁场,虽有强有弱,但几乎都是围绕目转轴形成的。因此,行星上的磁极与地理极虽不重合,存在磁偏角,但通常也不会差太多。例如,我国各地磁偏角略有不同,最大约为6度,一般为2—3度。

然而,天王星的磁场与自转方向却并不相近。天王星的磁场并不在几何中心,而是呈现出极不对称的“歪”状态。在南半球的表面,磁场的强度低于0.1高斯,而在北半球的强度却可高达1.1高斯。上世纪80年代,“旅行者2号”还发现天王星的磁场拥有多个极,而且磁偏角很大,有50度左右。对比类地行星的一些常见规律来看,天王星简直是“特立独行”。

“发电机理论是行星磁场形成机制的主流学说之一。”周礼勇解释,电磁之间存在感应,磁现象往往来源于电荷的定向运动。行星内部存在能够导电的流体,并因自转导致流体沿着同一方向流动,从而形成磁场。

以地球为例,地球深处高温高压的物理环境迫使地核中的铁、镍等原子被电离出具有足够动能的电子。地球自转导致内部导电流体的循环流动,发生电荷定向运动,从而产生了地磁场。因此,自转很慢的行星磁场往往较微弱甚至没有磁场,例如水星、金星等。

“因此,行星磁场的方向通常会沿着自转轴方向,而天王星的怪异磁场,很可能与其被‘撞歪’的自转轴有关。”周礼勇说。

也有学者认为,围绕太阳运行的各行星磁偏角的大小跟行星自转轴倾斜的角度大小基本上成正比,即自转倾角越大的行星,其磁偏角的度数就越大。天王星自转倾角高达98度,其磁偏角自然也会大很多。

“我们从上世纪80年代开始才对天王星进行较为细致的观测和研究,至今也不过40余载。天王星的磁场或其他特性是否处于一个长期变化的过程?当前的观测是否只是天王星漫长生命中的瞬态?这些问题尚不得而知,需要时间去解答。”周礼勇说。

旧数据中发现大气逃逸现象

谁也没想到,在天王星形成初期发生的撞击事件,就像第一块倒下的多米诺骨牌,引发了后续一系列的奇特现象,将这颗冰巨星打造成了名副其实的“怪咖”。

2019年的一项发表在《地球物理研究快报》上的研究成果显示,研究人员找到了天王星表面大气正在逸散的证据。而磁场或为导致该现象的原因之一。

美国国家航空航天局(NASA)研究人员吉娜·迪布拉西奥等人重新检查了“旅行者2号”在1986年1月收集的数据,发现数据出现波动,即磁场爆发。他们在进一步处理数据后得出结论:天王星上方存在一个宽约40万公里、长约20万公里的等离子粒团。这是由天王星表面被剥离的大气构成的。

研究人员发现,“旅行者2号”飞越天王星时,穿越了一个平滑、闭合的等离子粒团。这样的等离子粒团是由等离子体和磁场形成的合成结构,主要由天王星的部分电离大气和其磁场耦合形成,受太阳风等因素影响,从天王星磁场的尾端脱离,就仿佛是太阳从天王星吸取出大气一样。据估算,以这样的方式脱离天王星的大气占其大气质量损失的15%—55%。该比例要比木星或土星更高,因此这很可能是天王星将大气释放到太空的主要方式。

逃逸的大气对于天王星会有怎样的影响?凭人类目前对天王星的观测历史很难断言,因为逃逸大气对于天体的影响是一个长期的过程,如火星在40亿年的时间里,逐渐失去其大气保护,才从一个“湿星”变成了一个“干星”。所以,研究大气逃逸对天王星的影响需要一个长期的观测过程。

在研究人员看来,行星磁场既可以保护其大气层免受太阳风的侵害,也可以加速表面气体逃逸。显然,该研究显示天王星的磁场在这一过程中起到了推波助澜的作用。

总之,天王星这个“怪咖”身上还有太多未解的谜题,这背后隐藏的真正机制是什么?未来它还会带来哪些奇迹?还需要众多学者在一个较长的时间尺度上继续探寻。

“怪咖”档案

特殊的自转轴 在太阳系形成之初,行星形成时自转角动量方向,基本与太阳系整体角动量方向一致,也就是说自转轴和公转轨道趋向于垂直。但是天王星的自转轴和公转轨道夹角高达97.77度,天王星几乎是横躺着自转,显得非常特殊。

长“歪”了的磁场 科学家曾经计划通过太阳风来测定天王星的磁场,结果却得到了个奇怪的现象——天王星的磁场并不在几何中心,这是一个不对称的状态,天王星南北极磁场的强度相差很多,与其他行星相比“风格迥异”。在同为冰巨星的海王星上也发现了类似的规律,科学家推测这可能是冰巨星的特征之一。

逃逸的大气 “旅行者2号”飞越天王星时,穿越了其上方一个宽约40万公里、长约20万公里的等离子粒团,这也是科学家首次发现与冰巨星有关的等离子粒团。研究人员推断这是由天王星表面被剥离的大气构成的。天王星未来或与火星一样,失去大气层的保护。

编辑:位林惠

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