长期以来天文学家一直对气态/冰巨星天王星感到神秘。除了出现一些热异常和磁场偏离中心之外，这颗行星还有一个独特之处，那就是它是太阳系中唯一一个侧转的行星（也就是斜着转），天王星的轴向倾斜98°，行星经历激进的季节和昼夜循环，两个单日昼夜持续42年。
一项新的研究表明，巨大的撞击可能是天王星在其侧面运行的原因。图片：NASA/JPL/Voyager mission
多亏了来自杜伦大学的研究人员的一项新研究，这些神秘的原因终于被找到了。在美国航空航天局研究人员和多个科学组织的帮助下，研究小组进行了模拟实验，以证明天王星在过去可能遭受了巨大的影响。这不仅解释了天王星的极端倾斜和磁场，也解释了为什么天王星的外层大气如此寒冷。
这项名为“天王星对早期天王星的巨大影响对旋转、内部结构、碎片和大气侵蚀的影响”的研究最近发表在《天体物理学》上。这项研究由来自杜伦大学计算宇宙学研究所的博士生Jacob Kegerreis领导，包括湾区环境研究(BAER)研究所、美国宇航局艾姆斯研究中心、洛斯阿拉莫斯国家实验室、笛卡尔实验室、华盛顿大学和加州大学圣克鲁斯分校。
对巨大影响的概念图是大约45亿年前形成的卫星。图片：Joe Tucciarone
研究由科学技术设施委员会、皇家学会、美国宇航局和洛斯阿拉莫斯国家实验室资助。为了这项研究，研究小组进行了第一次高分辨率的计算机模拟，模拟了与天王星的大规模碰撞将如何影响行星演化。天王星在它的一边旋转，它的轴线几乎与太阳系其他所有行星的角度一致。这几乎可以肯定是由巨大的撞击造成的，但是我们几乎不知道这到底是怎么发生的，以及这种暴力事件是如何影响行星。
为了确定巨大的撞击将如何影响天王星，研究小组进行了一系列平滑粒子水动力学(SPH)模拟，这些模拟在过去也被用来模拟导致月球形成的巨大撞击。巨星碰撞理论)。研究小组使用一台高性能的电脑，总共运行了50多个不同的撞击场景，看看它是否能重现形成天王星的条件。最后，模拟结果证实了天王星倾斜的位置是由大约40亿年前，也就是太阳系形成期间，与一个巨大的物体(两到三个地球质量)发生碰撞造成的。这与先前的一项研究一致，该研究表明，撞击一颗由岩石和冰构成的年轻原行星可能是天王星轴向倾斜的原因。
由旅行者2号拍摄的天王星合成图像和由哈勃拍摄的两个不同观测：一个是光环，一是极光。图片：NASA/ESA
研究证实最有可能的结果是，年轻的天王星与一个质量是地球两倍(如果不是更大的话)的天体发生了灾难性碰撞，撞向了它的一侧，并导致了我们今天看到的这个行星。此外，这些模拟还回答了天王星的一个基本问题，这是对先前研究的回应。从本质上讲，科学家们想知道天王星在剧烈碰撞后如何保持其大气，这在理论上是会把它的氢气和氦气吹掉。
根据研究小组的模拟，这很有可能是因为撞击对天王星造成了冲击。这足以改变天王星的倾斜度，但还不足以消除其外层大气。此外模拟表明，撞击可能会将岩石和冰抛入环绕行星的轨道。这可能会合并成行星的内部卫星，改变已经存在的围绕天王星轨道的卫星旋转。
最后，但并非最不重要的是，这些模拟为天王星如何获得偏心磁场和它的热异常提供了可能的解释。简而言之，撞击可能会在这个地球质量两倍的天体内部，形成熔融的冰和不平衡的岩石块(这就解释了它的磁场)。它也可以在行星冰层附近制造出一层薄薄的碎片，这将会困住内部的热量，这就解释了为什么天王星的外层大气会经历极冷的-216°C(-357°F)。
艺术构想展示了一颗乌拉努斯大小的系外行星开普勒-421b，它围绕着一颗橙色的K型恒星运行，距离地球约1000光年。图片：David A. Aguilar (CfA)
除了帮助天文学家了解天王星，这是太阳系中最鲜为人知的行星之一，这项研究还涉及到对系外行星的研究。到目前为止，在其他星系中发现的大多数行星在大小和质量上都与天王星相当。因此，研究人员希望他们的发现能揭示这些行星的化学成分，并解释它们是如何演化的。如BAER研究所的Luis Teodoro博士和美国美国航天局艾姆斯研究中心以及联合作者之一的论文所述：
所有证据都表明，在行星的形成过程中，巨大的影响是经常发生的，并且通过这种研究，现在可以更深入地了解它们对潜在可居住外行星的影响。在未来的几年里，将有更多的任务计划来研究太阳系外层和巨大的行星。这些研究不仅能帮助天文学家了解我们的太阳系是如何演化的，还能告诉我们气态巨星在宜居性方面扮演什么角色。
博科园-科学科普｜文：Matt Williams｜来自：Universe Today｜参考：达勒姆大学，天体物理学
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