“躺贏玩家”天王星的自述——為什麼我有躺着公轉的特權？_風聞

編譯：饒世豪

校對：牧夫校對組

編排：饒世豪

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

https://astrobites.org/2020/02/26/new-approach-to-tilting-uranus/

    大家好，我叫天王星，是太陽媽媽的第七個兒子，因為離前面六個兄弟太遙遠，我平時只和海王星玩，也因為和太陽媽媽離得太遠，得不到足夠的關愛，我和海王星全身都是冰。我還喜歡躺着，在五十億年的生活中，我收了27個小弟，平時躺着的時候他們一直簇擁着我。關於我為什麼喜歡躺着，科研人員做了些研究，我給大家介紹一下。

天王星

01

當今理論的難題

傳統觀點認為，我在形成早期頻繁遭受撞擊，其中有個別特別劇烈的，導致了我的自轉與公轉接近垂直。但是這一觀點有很多潛在的問題，以下列出了其中的四條：

當今理論的四條難題

1

因為這些強大的撞擊可能造成我自轉加速或減速，如果我受到影響而海王星沒有，我們的自轉速度應該會有更明顯的差異。但實際上我和海王星上的“一天”僅相差6%（分別是17.2小時和16.2小時）。

2

巨大的撞擊可能會瓦解我的衞星小弟，在這一假設下，我的衞星們本應更小，但實際情況是，我有數量和質量可觀的衞星。

3

作為質量如此巨大的冰巨星，僅憑一次撞擊很難導致我傾斜，雖然多次巨大的撞擊仍有可能，但那一情景很難設想和模擬出來。

4

強大到足以使我傾斜的碰撞會導致內部的大量冰釋放並且濺射到周圍，真如此的話，我的衞星應當含有大量的冰，但這些衞星主要是岩石的成分，冰的相對含量遠低於預期。

假想：天王星遭受劇烈碰撞

    最近的一項研究探討了使得我傾斜的另一種可能——原始天王星周圍塵埃盤上軌道共振導致的自轉傾斜。為了驗證這種猜測，科研人員模擬了海王星和我的形成演化。

02

什麼是軌道共振？

    共振發生在公轉週期比為簡單整數比（如1：2、3：5等，諸如100：101的並不是簡單整數比）的天體之間。試想一下助推玩鞦韆的孩子時，每次都在同一位置（鞦韆向後回擺時）朝着同一方向推動鞦韆，鞦韆會越擺越高。海王星和冥王星就是一個典型的例子，冥王星每公轉2圈，海王星公轉3圈，每次它們在幾乎相同的位置相遇，引力作用強化着這種相對穩定的狀態。

   木星三個衞星的軌道共振（也叫作拉普拉斯共振），對於歐羅巴和艾歐來説，它們每次相距最近的點在圖片上部，此時它們之間的引力最大。

    軌道共振效應是一種長期的效應，我的軌道進動也與軌道共振有關。

    由於引力牽引的作用，天體會發生進動，自轉軸會隨之週期性地改變。對於地球來説，這一現象稱為歲差，週期大約為25800年。

地球的進動

    通常來説，進動的速率相對公轉小很多，比如地球（1：25800）。在這項研究中，由於早期天王星周圍塵埃盤的作用，我的進動速率相對大很多。（把話筒交給研究人員）

03

自從出生就倒地不起

    原始冰巨星周圍的塵埃盤一般只有100萬年的壽命，它們中的物質可能會掉入行星，使得行星增重，或是形成衞星。這意味着在它消失之前，天王星只有100萬年的時間來調整它的自轉傾角，在這之後直到現在，其自轉傾角都是幾乎恆定不變的。   

    為了確定不同類型的盤會如何改變天王星和海王星的自轉傾角，我們建立了一些描述行星和盤相互作用的物理模型。這裏列舉出了其中三個：

01

模型1

    這是最簡單的一個。盤的質量在100萬年內維持恆定不變，上圖展示了這個模型的模擬結果，自轉軌道傾角（最上面一張）從0°上升至65°又回落到0°。我們發現一個質量恆定的盤會使得天王星的自轉傾角改變，但也能輕而易舉地使其返回原樣，很難把控好幅度。

02

模型2

    該模型擁有一個更加符合實際的盤，它在100萬年內慢慢消失（最下面一張），下圖中，自轉傾角最高達到了55°，緊接着又慢慢降下來到45°。慢慢消失的盤對於改變天王星軌道傾角的作用更大，但45°連目前觀測值的一半都沒有達到。

03

模型3

    這個模型的盤與模型2的一樣，但是天王星能從盤中吸積物質以增加自身的質量。上圖展示了模擬結果。此時的軌道傾角最高達到了70°，隨後降到了60°。這個模型最接近實際值98°，但並不足夠。

    我們發現模型3更好，因為這個模型更加符合物理實際，並且也使天王星自轉傾角達到了最高的70°。我們認為這個模型支持了我們猜想的軌道共振改變自轉傾角，但是，要使得70°變到98°，還需要一個額外的推動力，關於這個推動力，單個效應仍比一系列大事件更具可能性。

    我們建立過比這兒展示的更多模型來解釋天王星和海王星的演化，這其中的一些模型能夠意想不到地演化出觀測事實。從目前觀測到的蛛絲馬跡中找到50億年前發生的事件，一直都是極具挑戰性的工作。

記者提問

天王星您好，請問您為什麼不把自己躺着公轉的原因告訴大家，而需要科學家研究呢？

躺太久忘了。

『天文時刻』 牧夫出品

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