天王星为什么是躺着自转的?

【天王星的自转轴为什么是躺着自转的?】

可能是大撞击引起的!现今通常的猜想是:在太阳系行星形成早期,一颗地球般大小的原行星撞击了天王星,而后便造成了天王星现在所具有的高转轴倾斜角度。具体的情况,请看本文的详细介绍。


旅行者2号于1986年拍摄的天王星,图:NASA/JPL-Caltech


天王星转轴倾斜概述


天王星的自转轴与太阳系的平面大致是平行的,其轴向倾斜度为97.77度(由前进自转定义),也就是说天王星是躺着自转的。这使得天王星的季节变化完全不同于其他行星。 在至点附近时,天王星表面的一个极点会长久性的一直指向太阳,然而另一个极点会背离太阳而不被照射到。只有赤道周围的狭小区域会经历一个快速的昼夜循环,但赤道附近的太阳高度仍然处于地平线附近很低的位置,这和在地球极区附近看到的情形差不多。当天王星轨道运行到另一侧时,两极朝向太阳的方向将是相反的。 每一个极点附近的区域都会被太阳照射大约42年之久,然后接着又是42年的黑暗世界。在昼夜平分点附近,太阳照射在天王星的赤道附近,给出了与大多数其他行星相似的昼夜周期。


这种自转轴朝向带来的一个结果是:天王星的极地区域从太阳接收到的年平均热辐射能量比在其赤道区域吸收的年平均热辐射能量更大。不过,实际观测表明,天王星赤道的热量依然比极地高。导致这种情况的原因目前尚不清楚。而且天王星的异常轴向倾斜原因目前也还不确定,但通常的推测是,在太阳系形成期间,一颗犹如地球般大小的原行星与天王星相撞,导致了这样的自转轴倾斜方向。在1986年,旅行者2号近距离飞越天王星时,发现天王星的南极几乎完全指向太阳。这个“南极”的标记使用了目前国际天文联盟认可的定义,即行星或卫星的北极是指向太阳系的恒定平面之上的极点,这里不考虑行星自转的方向。在太阳系的平面上,无论行星的自转方向如何,都是以黄道面以北的极点为北极。但有时会使用不同的惯例,例如根据与自转方向相关的右手定则来定义物体的北极和南极。 


哈勃空间望远镜的天王星影像,可以看见云带、环和一些卫星。

图:Hubble Space Telescope – NASA Marshall Space Flight Center


天王星的自转轴为什么是躺着自转的?


新的研究结果表明,冰巨行星天王星在太阳系行星形成的远古时期遭遇到多重撞击,然后形成了我们今天所能看见的局面。然而在这之前,科学家们猜测只是“一击致命”导致的。

这一发现揭示了天王星及其许多卫星的早期历史。研究人员表示,这还可能迫使天文学家们需要重新思考他们之前关于太阳系巨行星如何形成和演化的理论。

“标准模型的行星形成理论假设了天王星、海王星以及木星和土星的核心都是由原行星盘中的小天体吸积而形成的,”法国尼斯天文台的研究负责人亚历桑德罗·莫比德利(Alessandro Morbidelli)在一份声明中说,“他们应该没有遭遇到巨大的碰撞。”

Morbidelli补充说:“事实表明,天王星可能被撞击了至少两次,这对于巨行星的形成理论来说具有重大影响。”因此,现在必须对标准理论进行修正。


一个古怪的行星


天王星在我们的太阳系中是一个真正古怪的东西。

它的自转轴倾斜了居然有98度之多,这意味着它的侧面基本上是躺着自转的。 没有其他行星可以接近这样的倾斜角度。例如,木星倾斜角度约为3度,地球倾斜角度约为23度(这些都是基于黄道平面)。

长期以来,科学家一直猜测使天王星受到撞击的一定是由某种形式引起的巨大撞击。 研究人员表示,人们现在普遍认为,在太阳系形成的初期,由一颗质量比地球大几倍的原行星撞击天王星后造成的今天这一局面。

在进行了一系列的计算机模拟之后,Morbidelli和他的团队可能已经找到了更好的解释。


多次撞击?


这项研究是10月6日在法国南特举行的欧洲行星科学大会和美国天文学会行星科学部的联席会议上提出的。

研究人员首先对单一撞击情景进行建模。他们发现碰撞很可能发生在太阳系的早期,那时候的天王星仍然被最后形成的卫星的尘埃和气体所包围着。

在一次巨大的碰撞之后,原行星盘将围绕天王星新高度倾斜的赤道平面进行了改造。事实确实如此,卫星对天王星的倾斜有不可分割的影响。

研究人员说,到目前为止,这一模型很好,但模拟的结果却让人大吃一惊。如果只有一次碰撞的话,天王星的卫星会出现逆行的运动,其轨道方向与今天天文学家所观察到的方向相反。

为了解释这一差异,研究人员调整了他们模拟的参数。研究人员说,他们发现,经过一系列至少两次较小的碰撞可以比一次巨大的撞击更能解释卫星的奇异运动。他们还补充道,早期的太阳系可能比以前认为的更具有波动性(动荡)和剧烈性。


天王星近红外图片揭示了其微弱的环系统,并突出了其倾斜的程度。

Credit: Lawrence Sromovsky, (Univ. Wisconsin-Madison), Keck Observatory


参考资料


1.  WJ百科-英文版(Uranus#Orbit_and_rotation)

2.  The Rotation of Uranus

3. Planet Uranus Got Sideways Tilt From Multiple Impacts

4.  Ten My  steries of the Solar System

5.  URANUS: MYSTERIOUS CRASH GAVE PLANET ITS CRAZY TILT AND 18 MOONS




文章作者:零度星系(天文在线)

审核人员:北极光

最终审核: 零度星系

编辑用时:2018年09月28日-2018年09月29日

审核用时: 一个小时

最后更新:2018年11月22日星期四


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全文排版:天文在线(零度星系)


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