“躺赢玩家”天王星的自述——为什么我有躺着公转的特权？

编译：饶世豪

校对：牧夫校对组

编排：饶世豪

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：

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

    大家好，我叫天王星，是太阳妈妈的第七个儿子，因为离前面六个兄弟太遥远，我平时只和海王星玩，也因为和太阳妈妈离得太远，得不到足够的关爱，我和海王星全身都是冰。我还喜欢躺着，在五十亿年的生活中，我收了27个小弟，平时躺着的时候他们一直簇拥着我。关于我为什么喜欢躺着，科研人员做了些研究，我给大家介绍一下。

天王星

01

当今理论的难题

传统观点认为，我在形成早期频繁遭受撞击，其中有个别特别剧烈的，导致了我的自转与公转接近垂直。但是这一观点有很多潜在的问题，以下列出了其中的四条：

当今理论的四条难题

1

因为这些强大的撞击可能造成我自转加速或减速，如果我受到影响而海王星没有，我们的自转速度应该会有更明显的差异。但实际上我和海王星上的“一天”仅相差6%（分别是17.2小时和16.2小时）。

2

巨大的撞击可能会瓦解我的卫星小弟，在这一假设下，我的卫星们本应更小，但实际情况是，我有数量和质量可观的卫星。

3

作为质量如此巨大的冰巨星，仅凭一次撞击很难导致我倾斜，虽然多次巨大的撞击仍有可能，但那一情景很难设想和模拟出来。

4

强大到足以使我倾斜的碰撞会导致内部的大量冰释放并且溅射到周围，真如此的话，我的卫星应当含有大量的冰，但这些卫星主要是岩石的成分，冰的相对含量远低于预期。

假想：天王星遭受剧烈碰撞

    最近的一项研究探讨了使得我倾斜的另一种可能——原始天王星周围尘埃盘上轨道共振导致的自转倾斜。为了验证这种猜测，科研人员模拟了海王星和我的形成演化。

02

什么是轨道共振？

    共振发生在公转周期比为简单整数比（如1：2、3：5等，诸如100：101的并不是简单整数比）的天体之间。试想一下助推玩秋千的孩子时，每次都在同一位置（秋千向后回摆时）朝着同一方向推动秋千，秋千会越摆越高。海王星和冥王星就是一个典型的例子，冥王星每公转2圈，海王星公转3圈，每次它们在几乎相同的位置相遇，引力作用强化着这种相对稳定的状态。

    木星三个卫星的轨道共振（也叫作拉普拉斯共振），对于欧罗巴和艾欧来说，它们每次相距最近的点在图片上部，此时它们之间的引力最大。

    轨道共振效应是一种长期的效应，我的轨道进动也与轨道共振有关。

    由于引力牵引的作用，天体会发生进动，自转轴会随之周期性地改变。对于地球来说，这一现象称为岁差，周期大约为25800年。

地球的进动

    通常来说，进动的速率相对公转小很多，比如地球（1：25800）。在这项研究中，由于早期天王星周围尘埃盘的作用，我的进动速率相对大很多。（把话筒交给研究人员）

03

自从出生就倒地不起

    原始冰巨星周围的尘埃盘一般只有100万年的寿命，它们中的物质可能会掉入行星，使得行星增重，或是形成卫星。这意味着在它消失之前，天王星只有100万年的时间来调整它的自转倾角，在这之后直到现在，其自转倾角都是几乎恒定不变的。   

    为了确定不同类型的盘会如何改变天王星和海王星的自转倾角，我们建立了一些描述行星和盘相互作用的物理模型。这里列举出了其中三个：

01

模型1

    这是最简单的一个。盘的质量在100万年内维持恒定不变，上图展示了这个模型的模拟结果，自转轨道倾角（最上面一张）从0°上升至65°又回落到0°。我们发现一个质量恒定的盘会使得天王星的自转倾角改变，但也能轻而易举地使其返回原样，很难把控好幅度。

02

模型2

    该模型拥有一个更加符合实际的盘，它在100万年内慢慢消失（最下面一张），下图中，自转倾角最高达到了55°，紧接着又慢慢降下来到45°。慢慢消失的盘对于改变天王星轨道倾角的作用更大，但45°连目前观测值的一半都没有达到。

03

模型3

    这个模型的盘与模型2的一样，但是天王星能从盘中吸积物质以增加自身的质量。上图展示了模拟结果。此时的轨道倾角最高达到了70°，随后降到了60°。这个模型最接近实际值98°，但并不足够。

 
 
我们发现模型3更好，因为这个模型更加符合物理实际，并且也使天王星自转倾角达到了最高的70°。我们认为这个模型支持了我们猜想的轨道共振改变自转倾角，但是，要使得70°变到98°，还需要一个额外的推动力，关于这个推动力，单个效应仍比一系列大事件更具可能性。

    我们建立过比这儿展示的更多模型来解释天王星和海王星的演化，这其中的一些模型能够意想不到地演化出观测事实。从目前观测到的蛛丝马迹中找到50亿年前发生的事件，一直都是极具挑战性的工作。

记者提问

天王星您好，请问您为什么不把自己躺着公转的原因告诉大家，而需要科学家研究呢？

躺太久忘了。

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

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