天王星可以說(shuō)是太陽(yáng)系中最神秘的行星——我們對(duì)它知之甚少。到目前為止人類探測(cè)器只訪問(wèn)過(guò)一次——旅行者2號(hào)宇宙飛船早在1986年。關(guān)于這個(gè)巨大冰最明顯奇怪的事情是天王星在它的一邊旋轉(zhuǎn)。與所有其他行星不同，天王星幾乎是傾斜成一個(gè)直角（近90°），它們的自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道幾乎成直角。所以在夏天，北極幾乎直接指向太陽(yáng)。

博科園-科學(xué)科普：不像土星、木星和海王星，它們的周圍有水平的環(huán)，天王星有垂直的環(huán)和圍繞其傾斜赤道運(yùn)行的衛(wèi)星。與地球和木星等大多數(shù)行星的條形磁鐵形狀不同，這顆冰巨星的溫度出奇的低，磁場(chǎng)雜亂且偏離中心。因此科學(xué)家們懷疑天王星曾經(jīng)與太陽(yáng)系的其他行星相似，但后來(lái)突然翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。那么發(fā)生了什么？新研究發(fā)表在《天體物理學(xué)》上，并在美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)的一次會(huì)議上發(fā)表。

災(zāi)難性的碰撞

我們的太陽(yáng)系曾經(jīng)是一個(gè)很暴力的地方，原行星(發(fā)展成為行星的物體)在猛烈的巨大碰撞中碰撞，造就了我們今天看到的世界。大多數(shù)研究人員認(rèn)為天王星的自轉(zhuǎn)是劇烈碰撞的結(jié)果，天文學(xué)家著手調(diào)查這件事是如何發(fā)生的。研究對(duì)天王星的巨大影響，看看這樣的碰撞究竟會(huì)如何影響地球演化。不幸的是，還不能(還)在實(shí)驗(yàn)室里造出兩顆行星，然后把它們撞在一起，看看到底發(fā)生了什么。相反使用強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬這些事件，這是第二好的方法。其基本思想是在計(jì)算機(jī)上用數(shù)百萬(wàn)粒子模擬碰撞的行星，每個(gè)粒子代表一大塊行星物質(zhì)。給出了模擬方程來(lái)描述物理，比如重力和物質(zhì)壓力是如何運(yùn)作的，這樣它就可以計(jì)算粒子碰撞時(shí)是如何隨時(shí)間演化。

通過(guò)這種方法，甚至可以研究一場(chǎng)巨大撞擊所產(chǎn)生的極其復(fù)雜和混亂的結(jié)果。使用計(jì)算機(jī)模擬的另一個(gè)好處是我們可以完全控制?？梢詼y(cè)試各種不同的影響場(chǎng)景，并探索可能的結(jié)果范圍。模擬(見(jiàn)上圖/下圖)顯示，一個(gè)質(zhì)量至少是地球的兩倍的天體，通過(guò)撞擊并與一顆年輕的行星合并，可以輕易地產(chǎn)生今天天王星所具有奇怪的自轉(zhuǎn)。對(duì)于更多的掠食碰撞，撞擊體的物質(zhì)可能會(huì)分散在靠近天王星冰層邊緣的一個(gè)薄而熱的殼中，在氫和氦的大氣層之下。這可能會(huì)抑制天王星內(nèi)部物質(zhì)的混合，將其內(nèi)部深處形成的熱量捕獲。令人興奮的是，這個(gè)想法似乎符合天王星的外表是如此寒冷。熱演化是非常復(fù)雜，但至少我們清楚地知道，巨大的撞擊是如何從內(nèi)到外重塑一個(gè)星球。

超級(jí)計(jì)算

從計(jì)算的角度來(lái)看，這項(xiàng)研究也是令人興奮的，就像望遠(yuǎn)鏡的大小一樣，模擬中的粒子數(shù)量限制了我們能夠解析和研究的內(nèi)容。然而簡(jiǎn)單地嘗試使用更多粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)是一個(gè)嚴(yán)重的計(jì)算挑戰(zhàn)，這意味著即使在功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)上也需要很長(zhǎng)時(shí)間。最新模擬使用了超過(guò)1億個(gè)粒子，大約是目前大多數(shù)其他研究使用的100- 1000倍。除了制作一些令人驚嘆的圖片和動(dòng)畫來(lái)展示巨大的撞擊是如何發(fā)生，這也為我們現(xiàn)在可以著手解決各種新科學(xué)問(wèn)題打開(kāi)了大門。

這種改進(jìn)歸功于SWIFT，科學(xué)家設(shè)計(jì)的一種新的模擬代碼，充分利用了當(dāng)代的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”。這些基本上是很多普通的電腦連接在一起。因此，快速運(yùn)行大型模擬依賴于在超級(jí)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分之間劃分計(jì)算。SWIFT估計(jì)模擬中的每個(gè)計(jì)算任務(wù)將花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間，并嘗試仔細(xì)地平均分配工作，以獲得最大的效率。就像一個(gè)巨大的新望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)跳躍到1000倍的高分辨率揭示了我們從未見(jiàn)過(guò)的細(xì)節(jié)。

太陽(yáng)系外行星

除了更多地了解天王星的具體歷史，另一個(gè)重要的動(dòng)機(jī)是更全面地了解行星的形成。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)最常見(jiàn)的系外行星(圍繞太陽(yáng)以外恒星運(yùn)行的行星)與天王星和海王星非常相似。因此，我們所知道關(guān)于太陽(yáng)系冰巨行星可能演化的一切，都有助于我們理解它們的遠(yuǎn)親，以及潛在宜居行星的演化。研究的一個(gè)令人興奮的細(xì)節(jié)與地外生命問(wèn)題非常相關(guān)，那就是在巨大撞擊之后大氣層的命運(yùn)。高分辨率模擬顯示，在最初的碰撞中幸存下來(lái)的一些大氣仍然可以被隨后行星的猛烈膨脹所移除。大氣層的缺乏使行星不太可能有生命存在。然而也許大量的能量輸入和添加的物質(zhì)也可以幫助創(chuàng)造有用的化學(xué)物質(zhì)。

來(lái)自撞擊體核心的巖石物質(zhì)也可以混合到外部大氣中。這意味著，如果我們?cè)谝活w系外行星的大氣層中觀察到某些微量元素，它們可能是類似影響的指標(biāo)。關(guān)于天王星還有很多問(wèn)題，以及總體上巨大的影響。即使模擬越來(lái)越詳細(xì)，仍然有很多要學(xué)習(xí)。因此許多人呼吁對(duì)天王星和海王星進(jìn)行一次新的任務(wù)，以研究它們奇特的磁場(chǎng)、奇特的衛(wèi)星和光環(huán)家族，甚至僅僅是研究它們究竟是由什么組成。我非常希望看到這種情況發(fā)生，觀測(cè)、理論模型和計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)合最終將幫助我們了解不僅是天王星，還有宇宙中無(wú)數(shù)行星以及它們是如何形成的。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自：杜倫大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《天體物理學(xué)》

文：Jacob Kegerreis/Live Science

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