【太陽系最遠的行星為什么這么大】

天王星與海王星是太陽系內最遠的行星，距離太陽大約有20億到30億英里遠。它們是太陽系外圍的哨兵。

大多數人對于這兩顆冰巨行星關注度很少，甚至認為它們與我們毫無關聯。它們的知名度甚至還不如它們的小弟弟——那顆自帶“愛心”的矮行星“冥王星”。

然而對于行星天文學家來說，它們的大小和位置一直是個謎。因為在某種程度上，它們不應該存在，或者至少它們不應該存在于它們所在的地方。

科學家們無法理解的是，這些巨大的行星是如何變得如此之大，離太陽又是如此之遠。

為什么科學家們會有這樣的疑問，讓我們回到45億年前……太陽系的誕生的時候。

一開始，太陽由一個由氣體和塵埃組成的圓盤點燃。于此同時，第一批行星的巖石內核開始成長，它們在繞太陽公轉的過程中與圓盤上的碎片相撞。

太陽系剛形成時的想像圖

但內行星有大小限制，要成長為一個巨大的行星，就需要氣體，來自初生太陽的熱量將這些較輕的氣體分子噴發到天文學家稱之為雪線的范圍之外。

這里的溫度足以讓氫和氦等氣體分子穩定下來。木星和土星最先成形，吞噬著豐富的氣體，迅速成為氣態巨行星。

但是海王星和天王星不一樣，木星和土星的氫和氦含量約為90%，而海王星和天王星的氫和氦含量更接近20%。

那么氣體中的這種差異告訴了我們什么呢？

科學家們懷疑天王星和海王星出現得稍晚一些，因為那里沒有那么多的氣體可以被收集。

在氫氣和氦氣消失之前，天王星和海王星能吸收的氫氣和氦氣的時間并不多。但由于它們是在更遠的地方，那里足夠冷，其他更重的氣體在那里凍結，這些氣體被不斷增長的外行星掃蕩一空。

在天王星和海王星所在的地方，有成噸的冰，當然這些成噸的冰是指由甲烷，氨，水等組成的冰凍氣體。

天王星形成過程想像圖

也許它們比木星和土星要小，但這些重冰意味著它們的密度會增大。作為太陽系的冰巨人行星，天王星和海王星似乎太大了。

要知道在新生恒星周圍由氣體和冰組成的圓盤不會永遠存在下去。而且太陽系深處的物質分布得很薄。當它們在太陽系深處運行時，兩個天體相互碰撞和吸積的時間就會變慢。

因為太陽外圍的公轉周期要長得多，這需要非常非常長的時間。海王星和天王星圍繞太陽運轉的速度非常慢，以至于無法與足夠多的冰物質發生碰撞，從而形成我們今天看到的巨行星。

所以當科學家們在這個非常遙遠的軌道上觀察海王星時，太陽系這個軌道應該沒有足夠的時間來建造一個像海王星這樣的行星。

很長一段時間，科學家們都被這個謎題所困擾。隨著科學技術的發展，當人類終于可以探索系外行星時，這個謎團才得以解開。

【天王星與海王星互換了位置】

當科學家們探索系外行星時，發現像海王星質量的行星在其他恒星周圍非常常見，但它們都不在我們發現海王星的地方。

事實上，在其他恒星周圍發現的情況是，海王星質量的行星，它們非常普遍，但卻非常接近恒星，很多都是非常接近于我們太陽系內水星的軌道。

在我們的太陽系中，海王星和天王星離太陽遠得不可思議。然而在其他恒星系中，冰巨行星離它們的恒星近得不可思議。

那么發生了什么？

讀者如果看過筆者往期的科普文章，就會知道，太陽系內的行星看似非常穩定地運行在自己的軌道上，而事實上，事物處于一種微妙的平衡中，在太陽系的生命周期內，行星的軌道經常是會發生變化的。它們不會在一個地方形成并永遠停留在那里。

也就是說，我們現在看到行星的地方，很有可能不是它們最初形成的地方。

那么，是什么有足夠的力量來移動像海王星這樣的巨大行星呢？

一個更大的行星……木星。

可以說，講到太陽系時，木星這個“惡霸”是繞不過去的坎。它是行星中的老大，它的一舉一動都牽動著太陽系內的其他事物。

行星有一種運動的方式，是通過相互作用的引力。所以它們能感受到彼此的引力，引力可以拖拽，也可以拉動，這種效應會導致行星在它們的行星系統中緩慢遷移。

在太陽系形成初期，巨行星之間的距離要近得多，兩顆行星離得越近，他們之間的這種影響力就越大。

最重要的是，它們的軌道排列順序可能與我們今天看到的并不同。

當時的排列順序是：木星、土星、海王星和天王星。

那么是什么導致海王星和天王星交換了位置呢？

答案在于木星和土星。這兩顆最大的巨行星上演了一場引力之舞。它們之間總是有這種相互作用。

經過數百萬年，一種節奏慢慢形成這些巨行星相互推拉，并進入更橢圓的軌道。

當這種引力之舞達到高潮后，拉伸軌道變得不穩定，巨人們偏離了航向。

當土星和木星遠離太陽時，它們就把海王星拋到天王星的外面。當海王星穿越太陽系時，它會把碎片推到它前面。

這些都是行星形成時剩下的冰碎片，海王星會把這些尸體推出去。這就柯伊伯帶的成因。

海王星被木星與土星的引力之舞拋到天王星的外面示意圖

這個由數千個冰和巖石組成的小天體帶就在海王星的軌道之外。你可以把柯伊伯帶的結構想象成“謀殺現場墻上的血跡”。

這是海王星猛烈向外移動時，穿越太陽系的記錄。

但海王星的運動不只是把這些小冰體拋到柯伊伯帶，它也使其中一些撞向太陽系內部，有些還轟炸了早期的地球。

這是自太陽系誕生以來，地球上最猛烈的時期，也就是太陽燃燒形成5億年之后。這被稱為晚期重轟炸時期。

在晚期重轟炸中，如果有“幸”生活在地球上，你會不斷看到石頭從天上掉下來。

這將是生命的最糟糕的時刻，然而，這一連串的冰體也帶來了生命所必需的東西。

太陽系外圍的天體有一個特點，就是我們經常能發現有機物。有機物是我們今天所發現的所有生物的基礎。它們是在早期太陽系塵埃顆粒表面形成的碳基分子。

雖然巖質內行星在成長的過程中也會把這些有機物卷走，但這些年輕行星焦灼的表面太不適合這些脆弱的分子生存了。

然而，在這些海王星拋向早期地球的太陽系外圍小型冰態天體上，有機物依然完好無損。

從某個角度上來說，海王星是太陽系的宇宙傳送服務員。所以太陽系外圍冰巨星的存在可能對今天地球的存在至關重要。這些冰巨行星所做的可能不僅僅是為地球上的生命提供了動力，他們可能還阻止了我們的星球被完全摧毀。

【“冰巨人”保護了我們】

大約40億年前，年輕的地球受到太陽系“惡霸”木星的威脅，木星位于多巖石的內行星和巨大的外行星之間。木星主宰著整個太陽系。

當木星和土星鎖定它們的引力之舞時，它們向外遷移，開始遠離太陽。木星巨大的引力會把地球和金星一起拉過來。地球和金星的軌道應該會相互拉伸和重疊。這將是一場即將發生的碰撞……

慶幸的是……它沒有發生。所以我們在地球上可以談論這個事實。

那么是什么東西保護了我們呢？科學家們認為，在木星有機會把地球和金星拉到碰撞軌道之前，有什么東西把木星拉到了不同的軌道上。

但是什么導致了木星的遷移有如此大的飛躍呢？此時，在這個故事中冰巨人出場了。讓木星在遷移過程中有一個大的跳躍并不容易。

科學家們通過計算模擬程序再現了這種跳躍。讓木星將海王星大小的物體完全從太陽系中噴出。

木星有很大的引力，如果你離它太近，在向木星墜落的過程中你就會被加速，就有可能會這樣把一顆行星完全甩出太陽系。

但是即便是對木星來說，海王星那么大的行星還是很重的，把它彈射出太陽系就會給木星一個反作用力。木星就會被位到新的軌道上，地球得救了。

但我們知道，海王星以及天王星還在太陽系內運行，它們都沒有被甩出太陽系。那么究竟是哪個冰巨人為我們犧牲了自己？

如果用計算機模似器來預測行星的行為，就會發現，如果只有木星、土星、天王星和海王星，是不可能在不噴射天王星或海王星的情況下來拯救地球的。

但它們都在那里，所以科學家們知道這是不對的，然而，如果再加上第三顆冰巨星，那一切就都能順利進行了。我們的地球真的得救了。

所以，在太陽系內，很有可能一開始就有三顆冰巨星，其中一個離木星太近了。我們的太陽系“惡霸”把這個受害者扔出了太陽系。而木星也被這個冰巨行星的引力推入新的軌道。最終地球擺脫了木星致命的引力，太陽系變成了我們今天所看到的安全有序的地方。

所以，作為地球上的人類，我們應該感謝這顆不知名的冰巨星，雖然它現在已經不存在了。

【失蹤的冰巨人】

那么這個失蹤的冰巨人現在在哪里？

答案非常驚人，它可能就在銀河系的另一邊。

太陽以每小時50萬英里的速度繞著銀河系轉，在地球的歷史中，我們大約已經繞了20圈了。

我們可能會在銀河系的任何地方失去那顆行星，但這第三個冰巨人是真的迷路了還是只是躲起來了？

2016年1月，加州理工學院的天文學家宣布了一個驚人的消息：他們聲稱已經發現了證據，證明在柯伊伯帶外有一顆神秘的第九顆行星。

模擬表明，如果這顆所謂的第九行星存在，它的大小與海王星和天王星相似。

它會是地球的救世主嗎？太陽系中原本缺失的自我犧牲冰巨人有可能是第九行星嗎？

是的，它可以是！

也許這第三顆冰巨星，并沒有從太陽系噴射出去，而是在一個非常非常長的周期內，圍繞著年輕的太陽系運行。

第九顆行星被認為是非常遙遠的行星。它繞太陽公轉需要2萬年的時間。

由于這顆被認為可能是太陽系的第九顆行星的距離實在太過遙遠了，所以目前還沒有天文望遠鏡發現它。

如果它被證實真的存在，那么，我們的教科書可能又要再次改寫，太陽系再次擁有九大行星。

無論第九大行星是否是失散已久的兄弟行星，冰巨星在馴服木星方面發揮了巨大的作用。它們使我們的太陽系成為今天的避難所。

【海王星擁有太陽系中最快的風】

天王星和海王星它們位于我們太陽系的邊緣，這使得它們很難研究。所以對科學家們來說，它們非常神秘。

由于很難用地球上的望遠鏡觀察到，導致這些行星長期以來一直被忽視。

我們唯一一次近距離看到這些遙遠的龐然大物，是在20世紀80年代旅行者2號飛過它們的時候。

當科學家們第一次近距離看到海王星的照片時，科學家們感到非常震驚。他們發現，海王星擁有太陽系中最快的風。

在地球上，我們的風實際上是由不同的溫度和陽光驅動的。

海王星距離太陽30億英里，太遠了，它幾乎沒有從我們的母恒星接收到任何能量。

那里真的很冷，為什么會有這么快的風？

此前科學家們一直認為，一顆行星從太陽接收到的能量越少，它的天氣就會越安靜……

但海王星一點也不平靜，它被猛烈的暴風雨所覆蓋，有些風暴的大小堪比內行星。

那是一場相當大的風暴，有記錄以來，海王星上最大的風暴之一是1989年的大黑點。

海王星上的大黑點

那是一場巨大的風暴，大到足以吞沒整個地球。以每小時1500英里的驚人速度飛馳著。

地球上最快的龍卷風風速，只有幾百英里每小時，但這已經造成了毀滅性的破壞。

所以很難想象海王星上的風會有什么影響，進入海王星上層大氣的探測器記錄到零下224攝氏度的冰凍溫度。

這么冷，應該吹不出風來，然而，在600英里深處，探測器被海王星無情的噴射氣流給粉碎了。

往下潛得越深，溫度就越高，海王星內部產生的熱量幾乎是來自海王星表面氣體球所產生的熱量的三倍。

奇怪的是，這些高速海王星的風并不是由太陽的熱能驅動的。事實上，它們是由海王星內部的熱能提供能量的。

那么這些內部熱量是從哪里來的呢？

當行星形成時，這是一個非常暴力、能量非常充沛的事件。此時行星是非常熱的，需要數十億年的時間才會將熱量釋放掉。

所以海王星可能仍有大量的熱量被困里面，當熱量像泡沫一樣冒出來時，這就是使大氣變熱并最終導致這種惡劣天氣的產生。

那么海王星是如何保留這么多熱量的呢？

這個秘密深藏在大氣層之下，當你一直往下，你會發現壓力越來越大。直到你最終被壓扁。大氣層會變得越來越厚，像霧一樣，最后你會突然意識到，你已經在海洋里了。

海王星有一個由甲烷、氨和水組成的高密度流體地幔。所以，冰巨行星并不是固態的冰球，而是由旋轉的液體物質組成的移動海洋。

這種旋轉的液體會留住熱量，就像毯子一樣把核心隔離起來。這就是海王星惡劣天氣的秘密。

而海王星富含甲烷的地幔中，強烈的內部熱和壓力可能會產生另一個不同尋常的影響。

在非常強烈壓力下，甲烷會被分解。甲烷是由碳和氫組成，所以如果把碳壓縮到極致，就可以得到鉆石。

所以完全有可能，在海王星的液體地幔的海洋里，下著鉆石的傾盆大雨。

【天王星才真正的神秘者】

天王星可以說是太陽系內最奇怪的行星。

1986年一月份，旅行者2號以每小時超過40000英里的速度接近天王星，天文學家等待這一刻已經8年了。

在“旅行者”號抵達前，科學家們所知道的天王星，只是一個平淡、蒼白的藍色球體。

現在終于可以看清這顆神秘的巨行星了。

天王星最顯著的特征是，它的傾斜角度。雖然所有的行星相對于太陽系都是傾斜的，地球是23度，木星只有幾度。但天王星實際上是側躺著，它傾斜了98度。

天王星的傾斜度幾乎是太陽系中其他行星的四倍。它平躺著，所以它的兩極是水平的，它的環和衛星相對于太陽系的平面是垂直的。

地球的傾斜使得四季分明，而天王星的極端傾斜給了它極端的季節。

它的兩極每年有兩次直接指向或遠離太陽。所以每個極地都有一個非常強烈的正午太陽和一個黑暗寒冷的極地之夜。

天王星繞太陽公轉需要84年，所以這些季節會持續很長時間。當北半球有20年時間的日照時，南半球則有20年的黑暗。

天王星有點像“權力的游戲”，等了很久的冬天的到來了，然后冬天卻持續了20年。

而每當，太陽光照射在赤道上時，此時整個星球都被照亮了。陽光照射到旋轉行星的赤道，將能量泵入表面，使大氣變暖并驅動星球周圍的氣流。

其結果就是，天王星的春天和秋天，巨大的風暴在星球上肆虐。

所以，與它的冰巨人兄弟海王星不同的是，天王星的風暴是有季節性的而不是恒定的風暴。

那么為什么天王星是這樣繞著太陽轉，而其他行星卻像陀螺一樣旋轉呢？

這與我們所知的行星形成過程背道而馳。

在太陽系中形成新行星的過程中，很像制作棉花糖。所有的東西都在向一個方向旋轉。如果你把一根棍子放進去，物質會以一定的方向聚集在它周圍。

這就是為什么所有行星都有大致相同的軌道軸的原因。

所以，天王星一開始應該有一個垂直的軌道軸。那它是如何翻轉過來的呢？

我們知道在早期的太陽系中，有很多行星或行星大小的物體之間會相互碰撞。

人們很自然地認為天王星可能是受到了另一個巨大物體的輕微撞擊，導致它向一側傾斜。

但是這個假設有一個問題，如果你對天王星進行一次簡單的撞擊，把它撞翻到98度。那么實際上你所期望的是，剩下的光環相對于行星的自轉方向將是錯誤的。

什么樣的事件可以強大到足以翻轉一顆行星，但又溫和到可以把所有圍繞它的東西都帶到軌道上？

一次單獨的大碰撞不可能會發生在天王星上。因為那會造成太大的破壞。

有點像拳擊，不是一次致命一擊，而是相對比較弱的一拳二拳和多次擊中。

所以，一種理論認為：新形成的天王星被一顆地球大小的原行星撞擊，這一擊只是一掠而過，天王星被撞向它目前的傾斜方向。它的環系統經受住了撞擊，停留在赤道附近的軌道上。

當第二個天體撞擊天王星時，天王星一路傾斜，光環隨之變化，最后天王星以側躺的形式繞太陽運行。

天王星的第一次碰撞想像圖

天王星的第二次碰撞想像圖

【海王星有個奇怪的衛星】

天王星與海王星都有比較多的衛星。到目前為止，天文學家已經在天王星周圍發現了27顆衛星，在海王星周圍發現了13顆。但在這13顆衛星中，有一個衛星非常奇怪，使得它有在眾多衛星中“鶴立雞群”。

就是海衛一，相比于天王星側躺的姿勢，它有一個更奇怪的軌道，它竟然反向繞海王星運行。我們稱之為逆行軌道。

一個巨大的行星和它的衛星是由相同的氣體、塵埃和巖石物質組成的漩渦盤形成的。較輕的氣體更容易落入中心形成行星。而一些較重的巖石物質留在圓盤上，形成衛星。

通常情況下，衛星的運行方向與行星的運行方向相同。但在海衛一和海王星的情況卻是完全相反的情況。

所以科學們認為，它不可能在海王星周圍的軌道上形成。

它一定來自其他地方，而關于它來自哪里的一個奇妙線索，就是附近的鄰居——冥王星。

冥王星是柯伊伯帶附近的一顆矮行星，它只比海衛一小200英里。

但這兩個天體的相似之處并不僅僅在于它的大小，而是他們的成分。

海衛一實際上與冥王星最為相似，它的內部有類似數量的巖石。它表面成分也類似，含有大量的氮和甲烷。它看起來真的很像一個類冥王星的世界。但它只是圍繞著一顆行星運行，而不是圍繞太陽運行。

如果海衛一和冥王星一樣，也許它也是在柯伊伯帶誕生的。它會不會被海王星的引力捕獲，被拉進這顆氣體巨星的軌道呢？

要把了衛星捕獲到圍繞行星的軌道上并不容易，當一個物體靠近另一個世界然后螺旋進入，這時必須要剎住車。

所以海王星要想捕獲海衛一，就必須減慢海衛一的速度，但如何減慢呢？

柯伊伯帶的物體再次提供了線索。在柯伊伯帶，許多最大的矮行星都是雙星，即兩個互相環繞的世界。比如冥王星和它的大衛星冥衛一。

也許海衛一也是其中之一。如果海衛一和另一個伙伴一起在軌道上運行，那么每一對都將以不同的速度運行。這種速度差異是關鍵。

海衛一的速度稍微慢一點，它在繞著它的伴星旋轉，它的速度足夠慢，以至于可以被海王星捕獲。

而另一個則被海王星加速被甩了出去。就這樣，海衛一原來的舞伴不見了，因為它有了一個更大的新伙伴，海王星。

海衛一除了有奇怪的軌道，但還有一個更奇怪的謎題。

在海衛一這樣的衛星上，科學家們預計會看到大量坑洞地形。這是地質上死亡世界的標志。然而恰恰相反，“旅行者2號”揭示了一個驚人的活著的世界。

當“旅行者2號”飛過海衛一時，科學家們看到液氮噴流從海衛一表面噴涌而出。

沒想到這個又小又冷的世界，竟然還“活著”。光滑的冰覆蓋在星球表面，氮氣間歇泉穿過地殼向上噴射，向天空噴出5英里的黑色塵埃。

科學家們一直以為它離太陽太遠，太冷，太死氣沉沉，它只是一個像其他衛星一樣的冰球，然而，并不是。

驅動這些地表特征的熱量從何而來？

答案就在于海衛一是海王星捕獲過來的。海衛一現在的軌道是圓形的，但它曾經是橢圓形的。

當海衛一不斷靠近或遠離時，它會不斷受到海王星引力的擠壓和拉伸。這將在海衛一內部產生大量摩擦。

在這些力量的作用下，海衛一可能會完全融化。當這種情況發生時，它會起到剎車的作用，所有這些摩擦會使海衛一的軌道變成圓形，并使它運行在我們今天看到的軌道上。

正是這種軌道上的變化給了海衛一熱量。雖然海衛一的表面被凍住了，但這顆衛星在冰殼的深處仍然保留著一些溫暖。

天文學家認為有足夠的熱量將冰融化成水在距離太陽30億英里的地方形成一個地下液態海洋。

既然，有液態水，有熱量……那么就有一個“老生常談”的問題：會有生命存在嗎？

如果海衛一上有能量來源，那么也許有某種生命知道如何利用這種能量來源。

所以，如果海衛一有生命存在，這個冰凍的球體可能就是離太陽最遠的宜居世界。

【天王星的衛星更奇怪】

天王星是一個有著美麗的光環和27個衛星的冰巨人。但它的衛星的位置卻是個謎。其中一半在于緊密排列的軌道中。

這么多衛星如此緊密地排列，看起來似乎很不穩定，衛星應該在碰撞。

更令人驚訝的是，在2003年，哈勃太空望遠鏡發現了兩個新環和兩個新衛星——“馬伯”（天衛二十六）和“丘比特”（天衛二十七）。

問題來了，這些衛星從何而來？

科學家們認為，當你看到一個環系統，其實你看到的是一個過程的一部分。

在地球的歷史上可能有一段時間，它也有一個環。那個時候，我們的月球正在形成。即行星的光環會隨著時間的推移會形成新的衛星。

所以，天王星的這些新衛星似乎是由以前的光環系統的物質組成的。

科學家們通過計算機模擬了天王星的衛星。發現，“丘比特”衛星與另一顆衛星“貝琳達”（天衛十四）非常接近。在幾千年的時間里，當它們的軌跡相交時，很可能會發生碰撞。

這種碰撞會產生多米諾骨牌效應，碎片會撞向其他衛星，并會產生很多碎片。最后導致一次碰撞會引發一系列碰撞。

科學家們認為，“丘比特”和“貝琳達”不僅會摧毀對方，而且會摧毀天王星所有的內衛星，一場失控的毀滅碰撞將天王星的衛星碾碎成鵝卵石。

碎片就會在天王星周圍形成一個環系統，隨著時間的推移，這個環系統開始孵化新的衛星。然后這些衛星會再次相互碰撞，相互研磨成塵埃。

于是天王星的環系統就會在衛星碰撞粉碎成環，然后環又孵化出衛星這樣不斷地循環中往復。

當科學家們觀察了衛星“米蘭達”（天衛五），發現這顆衛星像是重新組裝起來。這可能就是以前碰撞的碎片形成衛星的證據。

“米蘭達”（天衛五）像是重新組裝起來的衛星

如果天王星的衛星自天王星第一次形成以來，每百萬年就發生一次碰撞和重組，那么就已經進行了4000代衛星了。這個系統從未穩定下來，衛星碰撞并被摧毀，殘余物被循環利用，出生、生長、死亡、重生。

最終，我們在這些衛星上看到的重生和死亡的永恒循環。這很有可能是宇宙中許多事物的真實寫照，甚至有可能涉及到恒星、行星，甚至是宇宙的本身。

對于天王星和海王星，科學家們只是通過“旅行者2號”在二十年前的那個飛過它們的瞬間觀察了它們。所以這簡直是一次走馬觀花。

科學家們學到了很多，但還有很多，還不明白。想知道更多的內容，唯一的途徑就是執行專門的任務去拜訪天王星和海王星。

但，至少科學家們已經知道了一些冰巨行星的故事，我們今天在這里討論它們是因為冰巨行星的存在。沒有它們，地球就不能夠形成并穩定下來，并成為生命生存環境的樂土。