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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 

2022年9月5日 星期一

冰態巨行星的鑽石雨,比我們想像的更普遍、更接近現實應用!

在2017年的實驗中,研究人員曾以冰態巨行星海王星和天王星深處的極端溫度和壓力,首次模擬並觀察到「鑽石雨」。美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家進一步發現,若有氧存在,鑽石雨可在更廣泛的條件下、更多的行星上形成。天文學家認為系外行星中最常見的形式可能就是冰態巨行星。

這項新的研究除了讓天文學家更加瞭解冰態巨行星產生鑽石雨的過程外,也為如何在地球上製造奈米鑽石提供了新方法。奈米鑽石目前廣泛應用在藥物輸送、醫療感測器、無創手術和量子電子學上。

Image©DOE/SLAC國家加速器實驗室

2017年的實驗也是首次在混合物中看見鑽石的形成,後來科學家又用了許多不同的混合材料來實驗。由於碳、氫、氧是海王星和天王星的主要成分,因此科學家選擇了在碳、氫、氧間具有良好平衡的PET塑膠(寶特瓶等材料),來模擬冰態行星內部物質來進行實驗。當研究人員以高功率光學雷射在PET中產生衝擊波時,他們透過X射線脈衝觀察到,在幾奈米寬的小區域內,碳原子重新排列成鑽石晶體,而且多了氧的存在,讓碳和氫加速分裂,使奈米鑽石能在更低的壓力和溫度下產生。

研究人員推測,海王星和天王星上的鑽石會比實驗中產生的奈米鑽石大得多,甚至可達數百萬克拉!這些鑽石在數千年內慢慢沉入行星冰層中,並堆聚在堅硬的行星核心外圍。

研究小組還發現,在冰態巨行星內部的極高溫高壓下,還會形成「超離子水」,這是一種最近才被發現,水在三相之外的另一種相態,又被稱為「熱黑冰」。是水分子在極端溫壓下破裂後,氧原子本身形成晶格,而帶正電的氫原子核自由漂浮的狀態,所以超離子水能導電,或許是天王星和海王星何以會出現特殊磁場的原因。

這項研究還提供了透過雷射衝擊PET塑膠這種廉價材料來生產奈米鑽石的潛在可能。目前奈米鑽石是透過爆炸的高能量來將碳重塑為鑽石,其大小和形狀都很難控制,但雷射是一種清潔而可控的方式,如果能設計出適當的流程,就能控制鑽石形成的速度和尺寸。

研究人員下一步打算用含有乙醇、水和氨的液體來進行類似實驗,這些也都是天王星和海王星的主要成分,實驗結果將可讓科學家更加瞭解鑽石雨在其他行星上形成的過程。

Science Advances, DOI 10.1126/sciadv.abo0617