土星和海王星自转轴倾斜与天王星奇怪的自转行为解释

不管巨行星的形成属于哪个机制，它们最后所形成的行星都比类地行星的自转速度更快（表12-2）。巨行星的快速自转使它们的赤道处发生膨胀，这一点在土星上表现得尤为突出，土星的赤道比两极的距离长10%。巨行星大气里的气体由于快速自转而高速运动，因此物质很难往南北方向移动。因此，在巨行星的不同海拔高度处存在着狭窄的云带。

巨行星形成时，从太阳星云流入的气流使巨行星的自转轴几乎垂直于它的轨道。今天，土星和海王星的自转轴倾斜了约30度（表12-2），而天王星的自转轴则比它们倾斜得更多，几乎“躺”在它的轨道平面上。很明显，巨行星形成后，它们的黄赤交角一定曾经被某些东西改变了。在第9章，我们了解了引力和潮汐作用是如何逐渐改变类地行星的倾斜度的。类似的作用同样也会发生在外太阳系天体上，但事情远远不可能如此简单，特别是对于天王星来说。

表12-2　巨行星黄赤交角和自转周期一览表

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碰撞事件同样可能改变行星的自转。关于天王星奇怪的自转行为有一个较为可信的解释，那就是在天王星的形成后期，一颗质量比地球大几倍的天体从一个倾斜的角度撞击了它。但这个假想还存在一个问题。因为，如果只是撞击改变了天王星的自转，天王星的卫星应该或多或少保持着原来的轨道。但是，天王星的卫星今天的运动平面和天王星的赤道平面平行，这说明天王星的卫星系统也同样倾斜了。为什么会出现这种情况？近来，计算机模拟得出了一个比较可信的原因。

下文会提到，巨行星的卫星可能是从围绕在它们周围的物质盘演变而来的。假如天王星被重击时它的物质盘还在的话，物质盘里的颗粒之间的撞击会使物质盘和行星的赤道平行。因此，物质盘里随后形成的卫星轨道的倾斜度自然与天王星的一致。出乎意料的是，计算机模拟显示这些卫星很可能会有逆行轨道，即它们的运动方向和行星的自转方向相反，这和我们今天所见的不同。不过，还有一种情境可以还原真实的天王星系统。如果天王星曾经遭受过至少两次大碰撞而不是一次的话，那么它的卫星很有可能是顺行的。我们无法确定这个理论是否正确，但是，如果它是对的话，和地球一样，大碰撞对于外太阳系行星的形成也起着举足轻重的作用。