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 Zurich)PlanetS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)中。

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(左)和海王星(右)。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度,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(上)和海王星(下)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

生成海报

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注