在操場(chǎng)鍛煉時(shí)，如果有人頭腳同時(shí)觸地、往前“躺著蹭”，你肯定覺(jué)得十分奇怪。在太陽(yáng)系這個(gè)大“操場(chǎng)”上就有一位這樣的“怪咖”——天王星。

在太陽(yáng)系八大行星中，七個(gè)“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(zhǎng)極晝或極夜。

是什么造就了天王星如此奇特的運(yùn)行狀態(tài)?近日，日本工業(yè)大學(xué)井田茂教授領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究或?qū)⒔沂驹颉Ｑ芯客ㄟ^(guò)模擬指出，在太陽(yáng)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(dāng)于地球的1—3倍。

該研究成果已發(fā)表于《自然·天文學(xué)》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(yuǎn)，對(duì)它的探測(cè)歷史不過(guò)數(shù)十載，但其“怪異行徑”深深地吸引著無(wú)數(shù)學(xué)者的目光。

“關(guān)于天王星‘怪異行徑’的成因，撞擊學(xué)說(shuō)擁躉眾多。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，太陽(yáng)系早期各大行星的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)方向應(yīng)當(dāng)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(dǎo)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(yīng)該比較大。

天王星的體積和質(zhì)量在太陽(yáng)系八大行星中分列第三和第四，能將這個(gè)“大塊頭”撞翻的對(duì)象必然也不會(huì)是個(gè)“小個(gè)子”。更何況，天王星時(shí)刻都在自轉(zhuǎn)，這就像是要把一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺撞翻，難度更大。

此前有學(xué)者估算過(guò)，撞擊體可能與地球差不多大小。因此，學(xué)界便有了以地球?yàn)橥蒲菰偷膸r質(zhì)撞擊體撞擊學(xué)說(shuō)。然而，很多現(xiàn)象仍然無(wú)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)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(gè)量級(jí)，而質(zhì)量卻大兩個(gè)量級(jí)。

周禮勇進(jìn)一步解釋，當(dāng)巖質(zhì)撞擊體與天王星發(fā)生碰撞后，會(huì)有一部分物質(zhì)嵌合到天王星的巖質(zhì)內(nèi)核中，導(dǎo)致天王星質(zhì)量增加。再者，激烈的撞擊過(guò)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(shí)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(jì)的結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。

為填補(bǔ)以往模型的種種不完美之處，井田茂團(tuán)隊(duì)提出了冰質(zhì)撞擊體撞擊的理論。由于撞擊時(shí)溫度升高，冰質(zhì)物質(zhì)便揮發(fā)出來(lái)。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(yuǎn)方的氣體不會(huì)立刻被束縛住，而是擴(kuò)散到當(dāng)前我們觀測(cè)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(gè)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(yáng)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(xué)家還發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)個(gè)冰質(zhì)系外行星，該模型也可能同樣適用。

“歪”軸或?yàn)楣之惔艌?chǎng)“幫兇”

撞擊事件會(huì)給天王星帶來(lái)哪些影響?周禮勇表示，天王星的怪異磁場(chǎng)可能就是撞擊事件遺留下的“后遺癥”。

太陽(yáng)系中，大部分大行星都有磁場(chǎng)，雖有強(qiáng)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(huì)差太多。例如，我國(guó)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(chǎng)與自轉(zhuǎn)方向卻并不相近。天王星的磁場(chǎng)并不在幾何中心，而是呈現(xiàn)出極不對(duì)稱的“歪”狀態(tài)。在南半球的表面，磁場(chǎng)的強(qiáng)度低于0.1高斯，而在北半球的強(qiáng)度卻可高達(dá)1.1高斯。上世紀(jì)80年代，“旅行者2號(hào)”還發(fā)現(xiàn)天王星的磁場(chǎng)擁有多個(gè)極，而且磁偏角很大，有50度左右。對(duì)比類地行星的一些常見(jiàn)規(guī)律來(lái)看，天王星簡(jiǎn)直是“特立獨(dú)行”。

“發(fā)電機(jī)理論是行星磁場(chǎng)形成機(jī)制的主流學(xué)說(shuō)之一。”周禮勇解釋，電磁之間存在感應(yīng)，磁現(xiàn)象往往來(lái)源于電荷的定向運(yùn)動(dòng)。行星內(nèi)部存在能夠?qū)щ姷牧黧w，并因自轉(zhuǎn)導(dǎo)致流體沿著同一方向流動(dòng)，從而形成磁場(chǎng)。

以地球?yàn)槔厍蛏钐幐邷馗邏旱奈锢憝h(huán)境迫使地核中的鐵、鎳等原子被電離出具有足夠動(dòng)能的電子。地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)電流體的循環(huán)流動(dòng)，發(fā)生電荷定向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了地磁場(chǎng)。因此，自轉(zhuǎn)很慢的行星磁場(chǎng)往往較微弱甚至沒(méi)有磁場(chǎng)，例如水星、金星等。

“因此，行星磁場(chǎng)的方向通常會(huì)沿著自轉(zhuǎn)軸方向，而天王星的怪異磁場(chǎng)，很可能與其被‘撞歪’的自轉(zhuǎn)軸有關(guān)。”周禮勇說(shuō)。

也有學(xué)者認(rèn)為，圍繞太陽(yáng)運(yùn)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(dá)98度，其磁偏角自然也會(huì)大很多。

“我們從上世紀(jì)80年代開(kāi)始才對(duì)天王星進(jìn)行較為細(xì)致的觀測(cè)和研究，至今也不過(guò)40余載。天王星的磁場(chǎng)或其他特性是否處于一個(gè)長(zhǎng)期變化的過(guò)程?當(dāng)前的觀測(cè)是否只是天王星漫長(zhǎng)生命中的瞬態(tài)?這些問(wèn)題尚不得而知，需要時(shí)間去解答。”周禮勇說(shuō)。

舊數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)大氣逃逸現(xiàn)象

誰(shuí)也沒(méi)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(shí)的“怪咖”。

2019年的一項(xiàng)發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》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(chǎng)或?yàn)閷?dǎo)致該現(xiàn)象的原因之一。

美國(guó)國(guó)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(hào)”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(dòng)，即磁場(chǎng)爆發(fā)。他們?cè)谶M(jìn)一步處理數(shù)據(jù)后得出結(jié)論：天王星上方存在一個(gè)寬約40萬(wàn)公里、長(zhǎng)約20萬(wàn)公里的等離子粒團(tuán)。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(hào)”飛越天王星時(shí)，穿越了一個(gè)平滑、閉合的等離子粒團(tuán)。這樣的等離子粒團(tuán)是由等離子體和磁場(chǎng)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(chǎng)耦合形成，受太陽(yáng)風(fēng)等因素影響，從天王星磁場(chǎng)的尾端脫離，就仿佛是太陽(yáng)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(duì)于天王星會(huì)有怎樣的影響?憑人類目前對(duì)天王星的觀測(cè)歷史很難斷言，因?yàn)樘右荽髿鈱?duì)于天體的影響是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，如火星在40億年的時(shí)間里，逐漸失去其大氣保護(hù)，才從一個(gè)“濕星”變成了一個(gè)“干星”。所以，研究大氣逃逸對(duì)天王星的影響需要一個(gè)長(zhǎng)期的觀測(cè)過(guò)程。

在研究人員看來(lái)，行星磁場(chǎng)既可以保護(hù)其大氣層免受太陽(yáng)風(fēng)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(chǎng)在這一過(guò)程中起到了推波助瀾的作用。

總之，天王星這個(gè)“怪咖”身上還有太多未解的謎題，這背后隱藏的真正機(jī)制是什么?未來(lái)它還會(huì)帶來(lái)哪些奇跡?還需要眾多學(xué)者在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上繼續(xù)探尋。

“怪咖”檔案

特殊的自轉(zhuǎn)軸 在太陽(yáng)系形成之初，行星形成時(shí)自轉(zhuǎn)角動(dòng)量方向，基本與太陽(yáng)系整體角動(dòng)量方向一致，也就是說(shuō)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(dá)97.77度，天王星幾乎是橫躺著自轉(zhuǎn)，顯得非常特殊。

長(zhǎng)“歪”了的磁場(chǎng) 科學(xué)家曾經(jīng)計(jì)劃通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)來(lái)測(cè)定天王星的磁場(chǎng)，結(jié)果卻得到了個(gè)奇怪的現(xiàn)象——天王星的磁場(chǎng)并不在幾何中心，這是一個(gè)不對(duì)稱的狀態(tài)，天王星南北極磁場(chǎng)的強(qiáng)度相差很多，與其他行星相比“風(fēng)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(xué)家推測(cè)這可能是冰巨星的特征之一。

逃逸的大氣 “旅行者2號(hào)”飛越天王星時(shí)，穿越了其上方一個(gè)寬約40萬(wàn)公里、長(zhǎng)約20萬(wàn)公里的等離子粒團(tuán)，這也是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)與冰巨星有關(guān)的等離子粒團(tuán)。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(lái)或與火星一樣，失去大氣層的保護(hù)。(記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 天王星