天王星和海王星是在哪里形成的呢？

天王星和海王星是在哪里形成的呢？

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翻译：陈玮菁

编排：胡暖暖

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳 董腾晨 李鸣晨

原 链接：https://skyandtelescope.org/astronomy-news/where-did-the-ice-giant-planets-form/

传统的想法认为，海王星和天王星是在离太阳更近的地方诞生的。但一项新的研究表明，这些冰态巨行星可能就是在它们现在所在的位置形成的。

年轻的行星系统，艺术绘制图(NASA / JPL-Caltech)

太阳系如何形成目前的行星结构？重构太阳系形成前的事件是一项艰巨的任务。太阳系常年秩序井然，这种运动脱胎于一团混乱的新生原始行星盘。混乱状态有着显著特征，那就是剧烈碰撞和径向迁移形成原始行星。科学家们试图研究每一颗行星，把事件拼图的碎片拼在一起。天王星和海王星，这两个太阳系最外层的行星，属于拼图的哪一块呢？

天王星和海王星可能是太阳系中最神秘的行星。它们离太阳的距离分别是日地距离的20倍和30倍，质量也很独特，都介于气态巨星和类地行星之间。科学家们不确定这两颗行星是如何以及在哪里形成的，直到最近才有证据表明，天王星和海王星有可能不是在它们今天所在的位置诞生的。

现在，一项新的研究却反驳了这些论点，称这些行星实际上可能就是在当前的位置形成的。这个有趣的结果发表在《天体物理学杂志》上，为行星迁移的设想提供了另一个角度。

“我没有说他们不是在太阳系靠里面的位置形成的。他们也可能在更外围的地方诞生，”苏黎世大学的研究小组成员Ravit Helled说。“但我们再也无法确定的说：它们不可能在原地诞生了。”

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鹅卵石团块漂近太阳系

目前行星形成理论是这样的：气体和尘埃组成原始行星盘，行星再由这个行星盘演化而来。这些气体和尘埃相互碰撞，长成几厘米大小的鹅卵石状团块。在一定条件下，鹅卵石团块进一步凝结成100千米大小的星子（行星胚），最终形成行星的核心。

如果内核达到足够大的质量，行星盘就会开始吸收气体。因此，巨行星必须在几百万年的时间内形成，否则气体盘就会消散。然而，星子在离太阳较远的地方生长得较慢。根据这种假设，以天王星和海王星目前离太阳的距离，它们不会有足够时间增长到现在的尺寸。

但这一设想忽略了鹅卵石状团块在行星形成过程中的作用。这些团块会从太阳系的外围向内漂向太阳，并在途中哺育了行星的胚胎。随着天王星和海王星的核心持续地吸入团块，核心可能早在圆盘的气体消散之前就已经增长到必要的质量。

Helled表示：“它们的形成时间以及尺寸问题已经存疑很久了，但在我看来这个问题现在已经不存在了。”

Helled的团队运行了24个模拟版本，跟踪了团块、氢气和氦气聚集到一个巨大的行星核心上的情况。有几个版本可以重现巨行星的总质量以及它的气体包层的质量。

然而，科学家们也发现，在大多数模拟场景中，行星都缺少重元素，缺失重元素的质量高达地球质量的3倍。研究小组认为，一个看似合理的说法是，巨大的撞击可以提供这些缺失的质量，因为人们已经知道撞击在太阳系中许多(甚至可以说是全部)行星的形成中发挥了重要作用。

这项新的研究分别追踪了这两颗行星的成长过程。然而，Helled说，他们应该改进这种简化的研究方法，并研究这两颗行星以及木星土星同时形成的情况。

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没有这么简单！

莱斯大学(Rice University)的行星科学家Andr%uE9 Izidoro（没有参与这项研究）认为行星的迁移很难避免。“随着行星的增长，特别是当它们变得比地球或火星的质量还大时，它们开始四处移动，”Izidoro说。

事实上，模拟已经证明天王星和海王星可能是在迁移的原行星之间的一系列碰撞中形成的。那么，到底发生了什么呢?

旅行者2号捕捉到的天王星(左)和海王星(右)的照片。

NASA / JPL-Caltech

行星迁移的直接化学痕迹很难找到，但行星的结构本身提供了一些线索。例如，海王星轨道以外的一群星子，也被称为柯伊伯带，是距离太阳一定距离的星团。科学家们怀疑这种结构的出现是海王星迁移的结果。

关于天王星和海王星还有许多悬而未决的问题，它们缺乏近距离观察，而我们对其它行星做过这种观察。我们不能准确地知道它们的气体包层的质量，气体包含的许多成分影响模拟它们形成的过程。尽管我们考虑过对两颗行星进行探测任务，但目前任务还没有任何进展。

不管探测任务发现了什么，天王星和海王星起源的最终答案很可能会是不同过程和设想情景的结合。正如Helled和Izidoro反复强调的那样：这很复杂。

『天 湿刻』 牧夫出品

1989年7月3日，由旅行者2号拍摄的海王星和海卫一。