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天文新知

為什麼天王星和海王星不一樣?

天王星和海王星是太陽系八大行星中最外側的兩顆,與木星和土星一樣,體積質量大且主要由氣體與冰所形成,有光環與眾多衛星,一般將之歸屬於「類木行星」,更細緻的分類則將之歸為所謂的「冰質巨行星(ice giant)」。它們兩個有許多性質類似,但許多性質又差異甚大,早已成為天文未解之謎其中之一。瑞士蘇黎世大學(University of Zurich)PlanetS研究學者Christian Reinhardt等人提出一個可能的解釋,認為這兩顆行星其實曾遇到完全不同的撞擊作用,才會導致它們差異甚大。相關論文發表在英國皇家天文學會月刊(MNRAS)中。

圖說:航海家2號太空船拍攝的天王星(左)和海王星(右)。Credit: NASA/JPL。
圖說:航海家2號太空船拍攝的天王星(左)和海王星(右)。Credit: NASA/JPL。

天王星和海王星的質量、大小和組成成分都相差無幾,與太陽的距離也都很遙遠,這些都是它們相近之處。但有些特性卻不相同,例如:天王星和它的主要衛星都與黃道面夾角約97度,而且相對於太陽是逆向自轉等。此外,天王星的主要衛星都是規則軌道(regular orbit),與行星成幾乎相同的一定軌道傾角,顯示它們應在環繞天王星的同一盤面中形成,類似地球的月球一樣;而海王星最大的衛星崔頓(Triton,海衛一)的軌道傾斜角非常大,因此很可能是被捕獲的。最後,它們的熱通量(heat flux)和內部結構也非常不一樣,海王星似乎有自己的內部熱能來源,而天王星只有來自太陽的熱輻射。

由於它們的質量、與太陽的距離和化學組成等都近似,一般認為這兩顆行星的形成途徑相同。所以造成它們許多特性不同的原因,很可能是在太陽系早期撞擊非常頻繁的狀況下,一起劇烈撞擊事件造成它們有巨大差異。但先前相關的研究工作一般僅限於研究天王星受到撞擊的結果,或是對撞擊計算過於簡化,因此所得結果不夠清楚。
圖說:模擬天王星(上)和海王星(下)受到撞擊的結果。Credit: Reinhardt & Helled, ICS, University of Zürich。
圖說:模擬天王星(上)和海王星(下)受到撞擊的結果。Credit: Reinhardt & Helled, ICS, University of Zürich。

Reinhardt等人利用高精度電腦模擬兩顆行星都受到不同程度撞擊的結果,如上圖。先假定兩者在撞擊前的條件非常類似,然後受到質量約1-3倍地球質量的天體撞擊後的結果能解釋現今觀察到的這些特性差異。其中在天王星的部分,一個擦邊過的撞擊事件導致天王星自轉軸傾斜,但並未影響到天王星的內部,撞擊濺出的物質多到能在天王星周圍形成碎屑盤,進而在其中形成規則衛星。另一方面,海王星受到質量密度皆大的天體正面撞擊後,使其內部深處的結構受到強烈影響,並因此導致缺乏規則軌道的大型衛星。這樣的撞擊不僅撞擊天體殘餘物質沈積在海王星內部,並會重新攪拌混合行星內部深處的物質,因此會得出實際觀測顯示的海王星熱通量偏高的現象。

雖然一向認為這兩顆行星誕生之初的過程基本相同,但現在看來似乎也沒那麼相近。這些天文學家期盼未來有關天王星和海王星有關的太空任務能提供關鍵線索,給定這個假設的可能範圍,讓天文學家們能進一步瞭解太陽系的形成及類似質量的系外行星的狀況。(編譯/張桂蘭)
資料來源:PlanetS

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