天王星自转轴的倾斜角度为什么这么大？
太阳系的八大行星都有自己标志性的特征。比如木星是“气体巨行星”，金星平均表面温度可以熔化铅；天王星最显著的特点是它的旋转轴几乎垂直于公转轨道，它几乎是水平的。
太阳系形成之初，行星形成时的旋转角动量方向与整个太阳系基本一致，也就是说，自转轴和公转轨道趋于垂直；随着大质量行星之间的相互作用和自身卫星的影响，行星的自转轴方向发生变化。例如，地球的赤道角是23° 26′。
但是天王星的自转轴与轨道的夹角高达97.77度(空间角)。天王星几乎水平旋转，然后围绕太阳旋转，这在所有行星中是非常特殊的。
而且，天王星还有一个特殊的磁场。旅行者二号在1986年经过天王星时，测量了天王星的磁场分布。它的磁场方向和它的旋转轴之间的角度高达59度，而且总体分布非常不均匀。磁场似乎受到了挤压，它也有多个磁极。
天王星自转轴严重偏离的原因是在太阳系形成之初，一个质量相当于地球的天体撞击天王星，导致其自转轴偏离。天王星目前的质量大约是地球质量的14.5倍。
另一个原因是轨道振动。
关于太阳系的歌曲是我童年的重要组成部分。这些歌曲讲述了九大行星中每一颗行星的一个事实(冥王星降级前)。是的，我发现我经常在洗澡的时候唱这些歌。
关于天王星的事实通常是一样的:“天王星旋转到一边。”不仅对孩子来说很神奇，很难忘，而且是真的。天王星的倾角为98°，这使得它的旋转轴比任何其他行星都更靠近黄道面。但是仍然没有人知道这是如何实现的。
当前理论的难题
天王星倾斜98度。[美国国家航空航天局]
1.多年来，人们一直认为天王星在早期遭受了一次或多次巨大的撞击，导致天王星向一侧倾斜，这种巨大的撞击非常常见。本文作者概述了这一理论的四个潜在问题。如果天王星被反复撞击而海王星没有被撞击，相信它们的旋转速度应该会有明显的不同。这是因为一些撞击可能会加快或减慢天王星的旋转。相反，天王星和海王星相差只有6%(分别为17.2小时和16.2小时)。
2.一次巨大的撞击将摧毁环绕天王星的卫星。作者认为，如果天王星真的遭受了巨大的撞击，其卫星的总质量应该比我们观测到的要低。然而，天王星拥有“适当”数量的月球质量卫星。
3.设计一个能让天王星倾斜的撞击器是非常困难的。这并不意味着多重影响是不可行的，但建模是一个具有挑战性的方案。
4.一次巨大的撞击会让天王星迅速升温，导致内部大量的冰升华成气体，然后被喷射到太空中。如果出现这种情况，天王星的卫星将主要由冰组成，但实际上，卫星主要由岩石组成，只含有少量的冰。作者提出了另一种导致天王星倾斜的方法:巨大的星盘引起的自旋轨道振动。为了测试这种可能性，他们模拟了天王星和海王星的早期演化，每个行星都有一个包含大量尘埃和气体的轨道。
什么是自旋轨道* * *振动？
图1中的动画展示了地球自转轴的进动过程。
“* * *振动”的意思是两个周期互为整数倍。比如，当人们推着孩子荡秋千时，如果推的频率合适，秋千会飞得很高；如果频率不合适，乐趣就会少很多。海王星和冥王星形成的系统就是轨道振动的例子。海王星绕太阳三圈，冥王星绕太阳两圈，所以冥王星的轨道非常稳定。自旋轨道振动是一种长期振动，是指天王星自转轴的岁差与天王星的轨道一起振动。如图1的动画所示，轨道岁差是指轨道随着时间的推移而改变方向，导致极点指向不同的方向。岁差速度通常很慢，无法随轨道振动。比如地球公转一次需要26000年，但它的轨道周期只有一年。在这篇文章中，作者增加了天王星的岁差率，使其产生自旋轨道振动——这是拥有一个业余星盘的结果。
图2显示了本文中的第一个模型。模型底部设置了一个恒定的行星盘，其顶部倾角连续变化超过一百万年。倾角的变化对行星盘的寿命非常敏感。中间的图表显示系统非常接近完美* * *振动(虚线)[Rogoszinski & amp；汉密尔顿，2020].
当每个冰巨人形成时，都有一个轨道运行的行星盘。行星盘的寿命相对较短——在使其形成的物质落到行星上或形成卫星之前，它只能在行星周围停留大约654.38+0万年。这意味着在星盘消散、倾角永久固定之前，天王星只有一百万年的翻转时间。为了确定不同类型的行星盘是否可以倾斜天王星或海王星，作者建立了一个计算机模型来捕捉行星盘和行星之间的相互作用。这里总结了三个最重要的模型。
模式1是最简单的一种。它有一个1万年的巨大圆盘，才立即消散。如图2所示，可以看到它的倾斜角(在顶部)可以从0度变化到大约65度，然后回到0度。作者发现，一个固定的磁盘可以倾斜天王星，但它也可以很容易地消除倾斜，使其不那么不可预测。
在第二种模式下，如图3所示，这个碟形慢慢消散(下图)超过654.38+0万年，天王星倾角增大然后固定在45度左右(下图)。第二个模型包含了更直观的654.38+0万年间该盘消失的过程，如图3所示。倾斜角达到最大值约55度，然后固定在45度。这个消失的盘子很好地维持了天王星的倾斜，但45度的倾斜角还不到我们现在观测到的一半。模式3相当于模式2，但是天王星的质量增加了，因为盘中的碎片落在了自己身上，如图4所示。一旦碟形消失，倾斜度将达到最大值约70度，并在60度继续。这个模型最接近观测值98度，但是倾斜度不够。
最后的倾斜
作者发现模式3是最直观最真实的一种，因为它准确地捕捉到了天王星最大倾斜70度时的物理轨道。他们推断，这一结果支持了一个假设，即自旋轨道振动是天王星具有高倾斜角的原因。他们也认为这个结果可能对天王星的倾角从70度到98度有很大的影响，但单个影响比一系列大的影响更显著。作者创造了比现在更多的自旋轨道模型来解释天王星和海王星的演化过程。令人鼓舞的是，其中一些模型可以产生明显的效果。仅凭目前有限的观测数据，很难理解一个差不多5000万年前出现的天文现象。