2022年10月5日 星期三

天王星自轉軸高傾角新解

©Lawrence Sromovsky, Keck Obs.

儘管天王星與海王星在分類上都屬於冰態巨行星,但它們之間還是各有特色,其中最特殊的差異就是天王星98°的自轉軸,使它與除了金星以外大多數行星的自轉方向都大相逕庭。

法國國家科學研究中心的天文學家 Melaine Saillenfest 提出了一種新的解釋,只要一顆質量為月球一半大的衛星軌道遷移就可以做到,當然更大的衛星更能達到這樣的結果。

科學家們先前已有一些模型來解釋天王星奇特的自轉軸傾角,譬如巨大天體的撞擊,或一群較小的天體撞擊更具說服力。但這樣的假說會帶來更難解釋的問題:與海王星之間的高度相似性。這兩顆行星的質量、半徑、自轉速度、大氣動力學和成分,以及奇特的磁場都極其類似,暗示這兩顆行星可能是一起誕生的,但若天王星曾被其他巨大星體撞擊,那麼它們何以還能保持著原有的高度相似性?於是科學家們只好尋求其他解釋,例如巨大的環系統、或早期曾存在巨大衛星等等。

幾年前,Saillenfest的其團隊發現木星自轉軸傾角,有可能在未來50億年內,會因衛星的向外遷移而從目前的3°增加到大約37°。而土星傾角達26.7°,很可能就是其最大的衛星土衛六泰坦迅速向外遷移的結果,但幾乎沒有影響行星的自轉速度。衛星軌道的遷移並不罕見,月球目前就正以每年約4公分的速度遠離地球。

研究小組用一系列不同參數,包括衛星質量等對天王星進行電腦模擬,結果發現即使是一顆質量只有月球一半的衛星,若其軌道以每年6公分的速度移動天王星半徑10倍的距離,就能讓天王星自轉軸傾斜90°!進一步的模擬還顯示,大小近似木衛二Ganymede 的軌道遷移,更可能形成今日天王星的自轉軸傾角。不過已知的天王星衛星總質量還不到月球的八分之一。此外模擬還顯示,當天王星傾角達到約80°時,衛星的運動會變得不穩定,引發了天王星自轉軸的混亂,最終導致衛星與行星相撞,自此之後天王星的自轉軸傾角與自轉速度趨於穩定,不再有大的變化。

這項假說是第一個能不涉及其他巨大星體撞擊,即能成功解釋天王星自轉軸傾斜的機制,而這種機制也很可能是普遍的行星現象。現在的木星或許正即將開始進入軸傾斜過程,土星或已處於此進程中,而天王星則已完成最後階段:衛星已撞毀消失。

目前還不能確定天王星是否曾擁有一顆夠大的衛星,並以夠快的軌道遷移來產生現在的結果,而觀察天王星現有衛星的軌道遷移將有助於解答這些問題,如果它們的軌道遷移速度夠快,也意味著它們有可能是早期撞毀的衛星碎片。無論如何,天王星探測器將是解開這一切問題的最佳方案。

Astronomy & Astrophysics 

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