天王星为何如此倾斜？也许是因为它遗失了一个卫星

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天王星奇怪的倾斜也许是一颗消失已久的卫星造成的

向一侧倾斜的天王星，科学家不知道是什么原因造成的

图源：X-射线 美国国家航空航天局/CXO/伦敦大学//W. Dunn et al; Optical: W.M. Keck 天文台)

天王星相当奇怪，其中最奇怪的事情之一是它的倾斜程度。

天王星倾斜角度是98°，是太阳系中倾斜角度最大的行星，这意味着它几乎以完全垂直于轨道的方向旋转。长期以来天文学家一直怀疑是天王星形成初期的一系列大的撞击造成了它的翻转，但新的研究指向一个更温和的成因：天王星的一个卫星逃逸了。

除了天王星，太阳系中的所有行星沿轨道方向的倾斜角度都不超过30°。整个天王星系统都翻转到了一侧，这在影响到了它的自转同时也影响到了它的星环和卫星，导致这些星环和卫星也以垂直于天王星绕太阳运动轨道的角度转动。

相比与它临近的冰巨星-海王星，天王星的倾斜显得更古怪，两者拥有相似的形成历史，海王星的倾斜程度却很正常。所以天王星发生了什么呢？

长期以来天文学家怀疑在天王星形成时至少有一次大撞击发生，这很容易想象：当天王星还处于原始行星阶段时，正确的时间正确的撞击将产生足够多的能量使它翻转，在形成它的行星和卫星系统前它已无力再翻转回来。

科学家有一些证据可以支撑这一观点。形成初期的太阳系是一个相当混乱的地方，大量的巨石块到处乱撞。相比天王星，海王星表现出了些微的不同，例如海王星不同的温度和拥有不同特征的卫星（海王星变的更大）表明两颗行星在它们形成初期的某个时刻经历了不同的状况。

最不幸的行星

但这种撞击假说也有缺点。

早期太阳系中，不止有一块巨石在其中呼啸穿行寻找一个不幸的目标，存在很多这样的巨石。所有的行星中，特别是外围的行星，可能在它们形成期间遭受过很多次撞击。甚至接近中心的行星也未能幸免，地球曾经被一个火星大小的小行星撞击，形成了月球。

所以如果天王星被撞到甚至翻转过来的程度，为什么其他的行星没出现这种情况呢？木星和土星最终还形成了厚厚的气体云，假以时日，这可能会使它们不再倾斜。但海王星和天王星的历史相同，且尽管这两个冰巨星有小小的差异但他们极其相似：他们有相似的大气层，都有混乱的磁场、相似的大小、质量和旋转速率。

我们陷入了左右为难的境地。或许可怜的天王星极其不幸——有一些模拟支持正确的撞击可以使它整个倾斜的推测，但这种纯粹的运气并不能让天文学家满意，在认可它之前，我们应该穷尽其他可能。

一个科学团队在其新发表的论文中提出或许答案与撞击无关，而与天王星的卫星有关。该论文发表在《天文与天体物理学》杂志上，其预印刊物发布在arXiv.org网站上。

旅行者2号于1986年1月14日拍摄的一张天王星图片（图源：NASA/JPL）

失踪的孩子

早期太阳系并不像今天看到的这个样子。那时巨行星更容易形成并且更靠近太阳。随时间推移，他们之间的相互影响和外侧物质的脱离，使天王星和海王星移至最远的地方。（事实上，一些太阳系模型甚至预测了第五颗超大质量行星的存在，不过它在这次迁移期间被驱逐出了太阳系）。

每个大行星的形成都伴随着一系列卫星，这些卫星又随行星迁移而重新排列。随着一切复杂的引力动力学进行，一些行星失去了卫星，另外一些则得到了新的卫星。

所以天王星能形成并快速捕捉到一个大质量卫星。如果卫星足够大，它就能开始玩自传的游戏。

天王星一开始可能只有一个随机但很小的倾斜，随着时间推移，这种倾斜将继续扩大，天文学家称之为倾斜自转。行星像一个巨大的陀螺一样进行摆动自转（地球也是）。通常这种行星的倾斜自转对其卫星不会产生什么影响，但卫星有可能被锁定在它的共振模式中，即卫星的自转时长与其轨道相适配。

这种共振使得卫星的引力能够轻微的牵动行星，加大它的倾斜程度。像一根无形的绳子寄在行星顶部，经过数百万年的时间，行星的倾斜程度变得越来越大，随时间推移，卫星的轨道将逐渐靠近行星。

研究人员发现如果天王星曾有一个足够大的卫星，它在几百万年内能够把它的倾斜角度拉回超过80°。要完成这个工作，需要卫星撞击天王星，把它的倾斜角度锁定在这个值。

这种预测可以解释为什么天王星如此独特：它有一个足够大的卫星，这是很常见的，然后进入了共振模式-这并不常见，我们应该期待同样的情况也发生在海王星上，然后一切就从这里开始了。

BY:Paul Sutter

FY: 杂七八糟嘿

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