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为什么天王星和海王星不一样

发布单位台北市立天文科学教育馆

天王星和海王星是太阳系八大行星中最外侧的两颗与木星和土星一样体积质量大且主要由气体与冰所形成有光环与众多卫星一般将之归属于类木行星更细致的分类则将之归为所谓的冰质巨行星icegiant它们两个有许多性质类似但许多性质又差异甚大早已成为天文未解之谜其中之一瑞士苏黎世大学University of ZurichPlanetS研究学者Christian Reinhardt等人提出一个可能的解释认为这两颗行星其实曾遇到完全不同的撞击作用才会导致它们差异甚大相关论文发表在英国皇家天文学会月刊MNRAS

旅行者2号太空船拍摄的天王星(左)和海王星(右)。Credit: NASA/JPL。
旅行者2号太空船拍摄的天王星和海王星Credit: NASA/JPL

天王星和海王星的质量大小和组成成分都相差无几与太阳的距离也都很遥远这些都是它们相近之处但有些特性却不相同例如天王星和它的主要卫星都与黄道面夹角约97而且相对于太阳是逆向自转等此外天王星的主要卫星都是规则轨道regular orbit与行星成几乎相同的一定轨道倾角显示它们应在环绕天王星的同一盘面中形成类似地球的月球一样而海王星最大的卫星崔顿Triton海卫一的轨道倾斜角非常大因此很可能是被捕获的最后它们的热通量heat flux和内部结构也非常不一样海王星似乎有自己的内部热能来源而天王星只有来自太阳的热辐射

由于它们的质量与太阳的距离和化学组成等都近似一般认为这两颗行星的形成途径相同所以造成它们许多特性不同的原因很可能是在太阳系早期撞击非常频繁的状况下一起剧烈撞击事件造成它们有巨大差异但先前相关的研究工作一般仅限于研究天王星受到撞击的结果或是对撞击计算过于简化因此所得结果不够清楚

模拟天王星(上)和海王星(下)受到撞击的结果。Credit: Reinhardt & Helled,ICS,University of Zürich。
模拟天王星和海王星受到撞击的结果Credit: Reinhardt & Helled, ICS, University of Zürich

Reinhardt等人利用高精度计算机仿真两颗行星都受到不同程度撞击的结果如上图先假定两者在撞击前的条件非常类似然后受到质量约1-3倍地球质量的天体撞击后的结果能解释现今观察到的这些特性差异其中在天王星的部分一个擦边过的撞击事件导致天王星自转轴倾斜但并未影响到天王星的内部撞击溅出的物质多到能在天王星周围形成碎屑盘进而在其中形成规则卫星另一方面海王星受到质量密度皆大的天体正面撞击后使其内部深处的结构受到强烈影响并因此导致缺乏规则轨道的大型卫星这样的撞击不仅撞击天体残余物质沈积在海王星内部并会重新搅拌混合行星内部深处的物质因此会得出实际观测显示的海王星热通量偏高的现象

虽然一向认为这两颗行星诞生之初的过程基本相同但现在看来似乎也没那么相近这些天文学家期盼未来有关天王星和海王星有关的太空任务能提供关键线索给定这个假设的可能范围让天文学家们能进一步了解太阳系的形成及类似质量的系外行星的状况编译/台北天文馆张桂兰

资料来源PlanetS