我们终于弄清楚天王星是如何侧翻的

天王星可以说是太阳系中最神秘的行星——我们对它知之甚少。到目前为止，我们只访问过这颗行星一次，即 1986 年的旅行者 2 号太空船。这颗冰巨星最明显的奇怪之处是它侧身旋转。

与其他行星不同，天王星的自转轴几乎垂直于太阳轨道，旋转方向也几乎垂直于太阳轨道。因此，在夏季，天王星的北极几乎直指太阳。与周围有水平环的土星、木星和海王星不同，天王星有垂直环和围绕其倾斜赤道运行的卫星。

这颗冰巨星的温度也出奇地低，磁场杂乱且偏离中心，不像地球或木星等大多数行星那样具有整齐的条形磁铁形状。因此，科学家怀疑天王星曾经与太阳系中的其他行星相似，但突然翻转了。那么发生了什么？我们发表在《天体物理学杂志》上并在美国地球物理联合会会议上发表的新研究提供了线索。

灾难性碰撞

我们的太阳系曾经是一个更加剧烈的地方，原行星（发展成为行星的天体）在剧烈的撞击中相撞，从而形成了我们今天看到的世界。大多数研究人员认为天王星的旋转是剧烈碰撞的结果。我们开始揭示它是如何发生的。

我们想研究天王星上的巨大撞击，以确切了解这种碰撞会如何影响该行星的演化。不幸的是，我们（目前）无法在实验室中制造两颗行星并将它们撞在一起以查看实际发生的情况。相反，我们运行计算机模型来模拟这些事件，并使用功能强大的超级计算机作为退而求其次的选择。

基本思路是在计算机中用数百万个粒子模拟行星碰撞，每个粒子代表一块行星物质。我们为模拟提供描述重力和物质压力等物理现象如何运作的方程，这样它就可以计算出粒子在相互碰撞时如何随时间演变。这样我们就可以研究巨大撞击产生的极其复杂和混乱的结果。使用计算机模拟的另一个好处是我们可以完全控制。我们可以测试各种不同的撞击场景，并探索各种可能的结果。

我们的模拟（见上文）显示，质量至少为地球两倍的天体很容易通过撞击和合并年轻行星而产生如今天王星的奇怪自旋。对于更接近的碰撞，撞击体的物质最终可能会散布在天王星冰层边缘附近的薄而热的壳层中，位于氢和氦大气层之下。

这可能会抑制天王星内部物质的混合，将其形成时产生的热量困在内部深处。令人兴奋的是，这个想法似乎与天王星外部如今如此寒冷的观察结果相符。热演化非常复杂，但至少可以清楚地看到一次巨大的撞击如何重塑一颗行星的内部和外部。

超级计算

从计算的角度来看，这项研究也令人兴奋。就像望远镜的大小一样，模拟中的粒子数量限制了我们可以解决和研究的内容。然而，仅仅试图使用更多粒子来实现新发现是一项严峻的计算挑战，这意味着即使在功能强大的计算机上也需要很长时间。

我们最新的模拟使用了超过 1 亿个粒子，比目前大多数其他研究使用的粒子多出约 100-1,000 倍。这不仅为我们提供了关于巨大撞击如何发生的一些令人惊叹的图片和动画，还引出了我们现在可以开始解决的各种新科学问题。

这一改进要归功于 SWIFT，这是我们设计的一种新模拟代码，旨在充分利用当代“超级计算机”。这些计算机基本上是许多普通计算机连接在一起。因此，快速运行大型模拟依赖于将计算分配给超级计算机的各个部分。

SWIFT 估算了模拟中每项计算任务需要多长时间，并尝试谨慎地平均分配工作以实现最高效率。就像一台大型新望远镜一样，分辨率提高 1,000 倍，揭示了我们从未见过的细节。

系外行星及其他

除了进一步了解天王星的具体历史外，另一个重要动机是更广泛地了解行星的形成。近年来，我们发现最常见的系外行星（围绕太阳以外的恒星运行的行星）与天王星和海王星非常相似。因此，我们所了解的关于我们自己的冰巨星可能演化的一切，都有助于我们了解它们的远亲和潜在宜居世界的演化。

我们研究的一个令人兴奋的细节与外星生命问题非常相关，那就是巨大撞击后大气层的命运。我们的高分辨率模拟显示，在最初的碰撞中幸存下来的部分大气层仍可能因随后行星的剧烈膨胀而被带走。缺乏大气层使得行星不太可能存在生命。另一方面，也许大量的能量输入和添加的物质也可能有助于产生对生命有用的化学物质。撞击体核心的岩石物质也可能混入外层大气。这意味着如果我们在系外行星的大气层中观察到某些微量元素，它们可能是类似撞击的指标。

关于天王星以及巨型撞击，仍然存在许多问题。尽管我们的模拟越来越详细，但我们仍有许多东西需要学习。因此，许多人呼吁对天王星和海王星进行新的任务，以研究它们奇怪的磁场、奇特的卫星​​和环家族，甚至只是研究它们究竟是由什么构成的。

我非常希望看到这种情况发生。观测、理论模型和计算机模拟的结合最终将帮助我们不仅了解天王星，而且了解宇宙中无数的行星以及它们的形成过程。

Jacob Kegerreis 是杜伦大学计算天文学博士生。本文最初发表于 The Conversation。