天王星自转轴为啥是躺着的?

太阳系中各大行星的两极方向和太阳的两极方向几乎都是一样的,只是各个行星自转轴都有少许的倾斜角,比如地球的倾斜角大约是23°,而木星的倾斜角则只有3°,总的来说,行星自转轴基本上都差不多,可以看做是站着绕太阳公转。但是在太阳系中偏偏有一颗行星不走寻常路,那就是天王星,它是躺着绕太阳公转。

太阳系各大行星的自转轴倾斜角,可见天王星是多么的与众不同
太阳系各大行星的自转轴倾斜角,可见天王星是多么的与众不同

天王星的自转轴倾斜角度高达98°,它是以两极指向太阳,然后沿着公转轨道在滚动。这就使得天王星上的季节变化和其他行星完全不一样。在冬至附近,天王星的一极持续面向太阳,另一极背对着太阳。只有赤道周围的一条狭窄地带经历了快速的昼夜循环,但太阳在地平线的最低点。在天王星轨道的另一边,两极朝向太阳的方向是相反的。每个极点都有大约42年的持续阳光照射,然后是42年的黑暗。接近春分的时候,太阳面对天王星的赤道,提供与大多数其他行星相似的昼夜周期。

天王星是一颗躺着的行星,它的极昼极夜长达42年
天王星是一颗躺着的行星,它的极昼极夜长达42年

这也就是意味着,天王星上极昼和极夜现象非常长,而且是半个星球都会陷入到极昼或极夜中。

那么为啥天王星的自转轴会变现得如此不同呢?

科学家推测,在天王星刚形成的时候,天王星也和其他太阳系大行星的自转轴方向是基本上一致的。但是很快就有一颗地球大小的原行星和天王星发生了碰撞

一颗地球大小的原行星撞击元是原始天王星,从而导致天王星躺下来了
一颗地球大小的原行星撞击元是原始天王星,从而导致天王星躺下来了

这次巨大的碰撞直接就将天王星撞歪了,行星撞击不但让天王星躺下来了,而且还创造了天王星大部分的卫星

之前天文学家认为天王星的卫星都是捕获路过的小行星,但是经过计算后发现,天王星27颗卫星中的18颗都是那场撞击事件的产物,这些天王星卫星占据卫星总质量的98%,它们都是绕着天王星赤道旋转的,而剩下的九颗天王星卫星的轨道就比较不规则了,偏移了天王星赤道。

这次撞击事件造成的影响还不止上面说的两点。

天王星还有一个很奇特的特征,那就是它内部热量明显低于其他巨行星,用天文术语来说,就是天王星的热通量很低。

什么是热通量?

热通量全称是热通量密度,指的单位面积内的能量流,瓦特每平方米(W/㎡),它既有方向又有大小,所以它是一个向量。

海王星是天王星的双胞胎行星,两者的体型和质量都非常接近,组成成分也几乎一致,但是海王星向太空辐射的能量是它从太阳那接收到能量的2.61倍,而天王星几乎不会辐射任何多余的热量(实际上天王星辐射总功率相当于1.06±0.08倍吸收的太阳热量)。

行星撞击将天王星内部的热量释放到太空中,使得现在天王星成为太阳系最冷的行星
行星撞击将天王星内部的热量释放到太空中,使得现在天王星成为太阳系最冷的行星

天王星的热通量仅为0.042±0.047W/㎡,甚至还低于地球内部热通量(0.075W/㎡),要知道天王星是一颗质量是地球14.5倍的巨大星球,但是其热量却还不如地球。这使得天王星成为太阳系中最冷的行星,大气对流层的温度只有49K(-224.2°C)。

天王星这么低的温度,也是有原因的,这又要回到之前被地球大小的原行星碰撞的事件中了,那场巨大的撞击,不但撞歪了天王星,形成了卫星,还导致它内部大量的热量被散失到太空中,使得其核心温度大大降低,这才使得天王星温度非常低。

当然,还有一种解释是,天王星内部可能存在某种屏障层,是这个屏障层阻止了天王星内部热量的散失。科学家发现天王星中镁元素的含量高于海王星,而镁元素可能在天王星中形成一个隔热层。

天王星图片
天王星图片

不管怎么说,天王星因为曾经被一颗原行星撞击,从而造成了现在的躺着的自转轴。这不禁让我想起来我们地球也被一颗火星大小的原行星撞击过(忒伊亚假说),这才形成了月球,以及23°的倾斜角,看来在太阳系形成初期,行星之间的碰撞相对还是比较常见的。

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