日本天文学家阐释天王星神秘特性
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本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。天王星奇异的自转轴和其卫星及星环不同寻常的的属性很可能是受很久以前冰巨行星的撞击形成的。
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天王星这颗冰巨行星的古怪属性困惑科学家已久。太阳系内的所有行星都以同样的方向在同一平面上围绕太阳旋转，天文学家们相信这是我们太阳系从由气体和星际尘埃组成的旋转星系盘中形成所遗留下来的产物。太阳系中的大部分行星也已同样的方向自转，行星极垂直朝向于其旋转平面。然而，和其他行星都不同，天王星其旋转面倾斜了98°。
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星环朝向天王星以和太阳系中其他所有行星不同的方式倾斜着。其卫星和星环也如此倾斜着，暗示它们形成于一场巨变之中，在其早期历史中，正是这场巨变是它们以这种方式倾斜。
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与其思考恒星以和地球不同方向，不同距离的方式散布于宇宙中的事实，似乎通过展望天球更容易理解。为了描绘天球是什么，仰望夜空并想象目光所及的所有星星都喷绘在围绕太阳系的一个球体内表面。星星看起来就会随着地球和这个球体的相对运动而升落。因为天王星自转并绕着太阳系公转，它使其行星极朝向相对于天球静止的一些点，所以在地球观测者的视角看来，它看起来似乎在滚动和摇晃。天王星也有一个星环系统，就像土星的一样，由多达27颗卫星组成，围绕着行星赤道旋转，所以它们也是倾斜的。天王星这些不同寻常的属性到底从何而来似乎已经被由Shigeru Ida教授所引导的来自于东工大的ELSI(地外生命科学署)的小组成功解释了。
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他们的研究表明在太阳系早期，天王星被一颗小冰行星撞击（大概地球1-3倍质量），因此导致了这颗年轻行星的倾斜，并留下其怪异的卫星和星环系统，就好像“烟枪”一样。研究团队在模拟冰质行星周围的卫星形成时得此结论。太阳系中大多数的行星都有卫星，这些卫星有着不同的尺寸、运行轨道、构成、以及其他特性。科学家们认为这些信息将有效的帮助他们解释卫星是如何形成的。目前发现的有力证据指出，地球唯一的卫星月球是在45亿年前一个接近火星尺寸的天体撞击了地球之后形成的。这一理论为地球和月球的构成，以及月球围绕地球的公转提供了合理的解释。
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科学家们还推测如此巨大的撞击在早期的太阳系中是非常普遍的，它们是所有行星形成的过程中不可或缺的一个部分。但这并不意味着每一颗行星都有着相同的“命运”，比如太阳系中的另一个行星天王星则有着肯定与地球完全不同的碰撞经历，致使其形成于离太阳更远的位置。
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因为地球形成的位置比之天王星更接近于太阳，处于温度更高的环境，所以地球主要是由科学家们所称的“非挥发性”元素组成的。这些元素在地表压力和温度正常的情况下不会形成气体，而是呈现为岩石形态。相对的，最外层的行星则由“挥发性”元素组成，比如水和氨。虽然这些元素在接近地表的温度和压力下会呈现为气体或液体状态，但是在远离太阳的最外层轨道上它们因着低温被冻结成了坚冰。
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根据艾达教授和他同事们的研究，对远距离冰质行星的剧烈撞击与那些涉及岩质行星的撞击是完全不同的，例如被科学家认为形成了月球的撞击。由于水冰形成的温度很低，来自天王星的撞击残骸及其冰质碎片大部分会在撞击过程中蒸发。这种理论可能也适用于与形成月球的碰撞有关的岩质物质，但事实与此相反，这种岩质物质具有非常高的冷凝温度，这意味着它会迅速凝固，因此由于自身重力的存在，月球能够大量收集碰撞产生的碎片。在天王星的例子中，一个巨大的冰质撞击物就能够使行星倾斜，使它的自传周期变得非常短（现在天王星的“一天”是大约17小时，甚至比地球的还要短），碰撞产生的剩余物质将在很长时间内以气态形式存在。其中质量最大的个体，也就是后来的天王星，吸收了大多数的剩余物质，因此天王星现在的卫星都非常小。准确地说，天王星与与其卫星质量之比，比地球与月球质量之比大一百倍还要多。艾达和同事们的模型完美地再现了现在天王星卫星系统的结构。
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