“懶惰”的天王星在太陽系中,沒有一顆行星比天王星更特別了。當所有的行星規規矩矩地在公轉軌道上“跑步前進”的時候,只有天王星是“躺著”執行的。到底為什麼會這樣呢?
1781年,英國天文學家赫歇耳首先發現了天王星。由於這是人類第一次用望遠鏡發現太陽系行星,故而天文學家們用羅馬神話中最早的神祇——烏拉諾斯為它命名,也就是Uranus,意譯到漢語就是天王星了。
我們知道,所有的行星都在自轉,同時也在圍繞太陽公轉。在自轉的時候,行星都是繞著一條虛擬的線轉,這條線叫做自轉軸。自轉軸穿過行星,一頭叫做北極點,另一頭叫做南極點,兩者正中間圍繞行星的一條外圈,叫做赤道。而在公轉的時候,它們的軌道始終處於一個平面上,這叫做軌道平面。軌道和軌道平面的夾角,就是一顆行星的轉軸傾角。
比如地球,轉軸傾角又叫黃赤交角,大約是23.5°(會有細微的變化)。正是這個轉軸傾角,導致地球執行到不同位置時,某個地區接收到光照的時長也不同,於是有了四季的更替。
奇怪的是,其他的行星的轉軸傾角都是銳角(金星除外),最大的海王星也不過是28.32°。而唯獨天王星,竟然達到了97.77°,接近於直角。因此,在宇宙中看,天王星就是“躺著”在公轉。尤其是天王星還有13個光環,這樣的形態就更加明顯。
因此,天王星上出現了詭異的現象:當北半球正對太陽時,南半球處於黑暗之中。在經歷了差不多半個公轉週期的白天后,其中一個半球就會進入差不多半個公轉週期的黑夜。由於天王星的公轉週期是84年,這意味著每個半球的每個黑夜和白晝都要持續差不多21年。
為什麼“躺下”那麼,天王星到底為何會以這樣詭異的狀態公轉呢?
我們知道,目前科學家對於太陽系形成的理論,還是以星雲說為主。也就是一片原始星雲,通過坍縮形成太陽和其他天體。而坍縮的過程中會有角動量的出現,於是開始旋轉。按照這個理論來說,行星的自轉方向和公轉方向應該位於同一平面,只是由於引力的波動,可能出現一點點偏角,像地球這樣。但是,像天王星這樣偏出去97.77°,而且包括13個行星環和27顆已知的衛星也以同樣的角度偏離,那就是上廁所跳遠——過分了。
因此,我們有理由認為,天王星之所以會這樣執行,不是在形成時就這樣的,而是後來發生了某些變故,才改變了最初狀態的。
我們知道,天王星的直徑是地球的4倍,品質是地球的15倍,非常巨大。到底是什麼樣的變故,才能對天王星這樣的巨大天體產生如此嚴重的影響呢?
能夠有如此威力的,恐怕就是另一顆天體了吧。而且,還不能是太小的天體。像1994年蘇梅克·列維9號彗星撞上木星的那種級別,根本就掀不起什麼波瀾。另外,由於行星環和衛星也以同樣的角度偏離,說明這次碰撞發生得非常早。
終於匹配最近,一支科學團隊宣佈,他們已經成功建立了一個模擬資料,實現了品質和天王星偏角的匹配。
他們認為,同樣是行星之間的撞擊,發生在類地行星和天王星這樣的冰巨星上是完全不同的效果。比如月球的形成,很可能來自於40多億年前一顆叫做忒伊亞的行星對地球的撞擊後形成。如果它撞上天王星,結果就會和現在大不相同。
由於理論上的忒伊亞和地球都是岩石行星,所以撞擊後濺起的碎片都是岩石,比較容易凝固。而天王星不同,當它被撞擊的時候,濺起來的物質以易揮發的水和氨等物質為主,而且它們更容易長時間保持氣體狀態,凝固過程會非常緩慢。於是,在這個過程中,天王星又把大量的物質重新吸收回體內,只給衛星和行星環留下了一點殘渣。
在綜合考慮了所有的相關因素後,研究人員認為,當初撞擊天王星的那一顆天體應該含有大量的冰,而且品質非常巨大,大約在地球的1-3倍之間。
日本東京工業大學地球生命科學研究所的Shigeru Ida是本次研究的主要作者,他表示這是人們第一次對天王星的衛星系統進行詳細的構造描述,而且這樣的研究也有助於對海王星等天體的理解。
另外,由於人類已經發現的系外行星中也有很大一部分含有大量的水冰,因此,這一次研究也有助於我們理解系外行星。