為什麼天王星和海王星不一樣?

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 15 日 10:30 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly


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組成,有光環與眾多衛星,一般將之歸於「類木行星」,更細緻的分類則歸為所謂「冰質巨行星」(ice giant)。兩顆行星有許多性質類似,但許多又差異甚大,早已成為天文未解之謎之一。

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是遇到完全不同的撞擊作用,才會導致差異甚大。相關論文發表在《英國皇家天文學會月刊》(MNRAS)。

▲ 航海家 2 號太空船拍攝的天王星(左)和海王星(右)。(Source:NASA

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,這些都是相近之處,但有些特性卻不相同,例如:天王星和主要衛星都與黃道面夾角約 97 度,且相對太陽是逆向自轉等。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,顯示應在環繞天王星的同一盤面形成,類似地球與月球;但海王星最大衛星崔頓(Triton,海衛一)的軌道傾斜角非常大,因此很可能是捕獲的衛星。最後,兩星的熱通量(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,而天王星只有太陽的熱輻射。

由於兩星質量、與太陽的距離和化學組成等都近似,一般認為這兩顆行星形成途徑相同,所以造成許多特性不同的原因,很可能是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僅限研究天王星受撞擊的結果,或是對撞擊計算過於簡化,因此所得結果不夠清楚。

▲ 模擬天王星(上)和海王星(下)受到撞擊的結果。(Source:PlanetS)。

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,或能解釋現今觀察到的這些特性差異。天王星部分,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,進而形成規則衛星。另一方面,海王星受質量密度皆大的天體正面撞擊後,使內部深處的結構受到強烈影響,並導致缺乏規則軌道的大型衛星。這樣的撞擊不僅使撞擊天體殘餘物質沉積在海王星內部,並會重新攪拌混合行星深處物質,因此會得出實際觀測顯示的海王星熱通量偏高現象。

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。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,縮小假設的可能範圍,讓天文學家能進一步瞭解太陽系形成及類似質量的系外行星細節。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖右為海王星,左為天王星,來源:NASA