天王星是否受到过大的撞击而旋转到一边？

与其他巨行星一样，天王星拥有一组光环和十几颗卫星，使其本身看起来就像一个微型太阳系。但与它的超大邻居（以及其他行星）不同，这颗冰巨星系统是侧向旋转的，滚动而不是旋转。现在，对该行星早期的新模拟支持了一种解释其奇怪方向的理论，该理论表明它也能产生行星的卫星。

日本东京工业大学行星科学家井田茂在新闻稿中表示：“该模型首次解释了天王星卫星系统的结构。”

这颗奇异的行星需要一个足够不寻常的起源故事来匹配其古怪的性质。地球、木星和我们宇宙中的大多数行星都像陀螺一样“垂直”旋转，它们的北极都指向宇宙中太阳北极所在的方向。但天王星不是。只有它侧身旋转，它的光环和卫星在绕太阳系平面公转时“上下”摆动。

那么是什么让天王星系统倾覆呢？它可能是由最初旋转形成的尘埃盘的扭曲而自行倾斜的，但许多行星科学家认为，这颗年轻的行星——在其数十亿年的生命中仅仅几亿年时——遭受了一场灾难性的碰撞。当时，早期太阳系的行星数量超过了标准的八颗行星，因此碰撞是不可避免的。一颗被称为忒伊亚的火星大小的岩石可能已经摧毁了地球的大部分，形成了月球。同样，婴儿天王星可能受到了一个大约是地球几倍大小的流动冰球的猛烈撞击，将两个天体都撞倒了。当尘埃落定时，这两个天体剩下的部分将合并成一个滚动的世界。

20 世纪 90 年代初，研究人员首次利用计算机模拟验证了这一理论。他们将原天王星及其对手分解成数千个数字碎片，每个碎片的质量约为地球月球的十分之一。通过以不同的速度和角度反复撞击这两个粒子云，他们得出结论，双重世界末日只会持续几天，之后产生的融合体确实获得了典型的滚动。

两年前，一支由加州大学圣克鲁兹分校的唐·科里坎斯基和洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯·弗莱尔组成的团队将这一想法推向了更远。他们利用三十年来的计算技术进步，模拟了两颗行星之间一系列碰撞，每颗行星都由数百万块碎片组成。“这就像从一边 200 [像素] 的显示器切换到 2000 x 2000 [像素] 的图像，”科里坎斯基说。“你可以看到很多可以进一步研究的细节。”行星倾斜理论经受住了他们的高清审查。

现在，艾达和他的同事们的研究继续了之前的模拟。“他们将其提升到了一个新的水平，”弗莱尔说。“这变得相当令人兴奋。”

摧毁两个星球会造成混乱，早期的模型表明，大量碎片最终会围绕新形成的星球运行——但整个星球的模拟还不够精确，无法确定碎屑的形状。艾达的研究结果于上周发表在《自然天文学》杂志上，通过放大圆盘本身并将系统的历史分为两个不同的时代来解决这个问题。

他们首先从过去模拟预测的圆盘质量出发，分析了碰撞后的直接后果。假设最初的行星大部分都是冰球，撞击的剧烈程度会使部分行星蒸发。研究小组将碎片视为水蒸气与氢气和氦气混合而成的云，并分析了圆盘在绕行星运行并坠落时如何冷却变薄。他们发现，经过数千年，它最终凝结成冰粒，而冰粒又聚集成数英里长的冰块——天王星未来卫星的种子。

当残骸从云状物变成一堆大块物体时，艾达的团队改变了策略。他们建立了一个数字天王星，里面有 10,000 颗冰冻卫星（其属性由第一次模拟的结果确定），然后让它们飞起来。当不可避免的碰碰车游戏结束时，大约有十几个大幸存者留下来。它们的大小和位置各不相同，与天王星观测到的卫星相符。最大的四颗与现实特别接近。

艾达表示，这一结果解决了其他模型中的许多挑战，使得更复杂的理论变得没有必要。“我们的研究表明，如果适当考虑圆盘的演变，简单的撞击场景可以完美地再现天王星卫星系统，”他说。

其他撞击研究人员表示，这项研究并没有从根本上改变他们对该系统形成过程的理解，但它确实使该理论的解释力比以前高出一倍。“碰撞模型不仅可以轻松解释倾斜，”弗莱尔说，“而且还回答了‘天王星是如何形成卫星的？’这个问题。”

早期研究对即将形成的行星可能由岩石还是冰构成还存在争议。但根据新研究，只有冰的粘性足够强，才能正确地聚集成卫星，因此未来的模型可能能够专注于充实冰层更厚的场景。艾达表示，精确计算该系统卫星中冰和岩石的相对含量是未来研究的主要方向。

但行星科学界只能通过回顾过去来了解这么多。研究人员表示，开发能够生成与天王星真实卫星相匹配的“正确答案”的计算机程序是一大进步，但真正的确凿证据是真正预测出目前未知的特征。例如，弗莱尔目前正在开发新的模拟方法，预测在碰撞产生的高温下可能形成哪些物质（与不那么戏剧性的形成情景相反，在这种情景下，行星会保持较低的温度）。为了证实这一理论，未来的航天器必须前往天王星，准确检查其成分。

弗莱尔希望，像他和艾达这样的理论研究能够发现只有撞击才能产生的各种潜在迹象。由于任何外行星探测任务都需要数十年的规划和执行，他们将有充足的时间进行计算。