天王星与海王星——太阳系的冰巨人、地球的守护者
【太阳系最远的行星为什么这么大】
天王星与海王星是太阳系内最远的行星，距离太阳大约有20亿到30亿英里远。它们是太阳系外围的哨兵。
大多数人对于这两颗冰巨行星关注度很少，甚至认为它们与我们毫无关联。它们的知名度甚至还不如它们的小弟弟——那颗自带“爱心”的矮行星“冥王星”。
然而对于行星天文学家来说，它们的大小和位置一直是个谜。因为在某种程度上，它们不应该存在，或者至少它们不应该存在于它们所在的地方。
科学家们无法理解的是，这些巨大的行星是如何变得如此之大，离太阳又是如此之远。
为什么科学家们会有这样的疑问，让我们回到45亿年前……太阳系的诞生的时候。
一开始，太阳由一个由气体和尘埃组成的圆盘点燃。于此同时，第一批行星的岩石内核开始成长，它们在绕太阳公转的过程中与圆盘上的碎片相撞。
太阳系刚形成时的想像图
但内行星有大小限制，要成长为一个巨大的行星，就需要气体，来自初生太阳的热量将这些较轻的气体分子喷发到天文学家称之为雪线的范围之外。
这里的温度足以让氢和氦等气体分子稳定下来。木星和土星最先成形，吞噬着丰富的气体，迅速成为气态巨行星。
但是海王星和天王星不一样，木星和土星的氢和氦含量约为90%，而海王星和天王星的氢和氦含量更接近20%。
那么气体中的这种差异告诉了我们什么呢？
科学家们怀疑天王星和海王星出现得稍晚一些，因为那里没有那么多的气体可以被收集。
在氢气和氦气消失之前，天王星和海王星能吸收的氢气和氦气的时间并不多。但由于它们是在更远的地方，那里足够冷，其他更重的气体在那里冻结，这些气体被不断增长的外行星扫荡一空。
在天王星和海王星所在的地方，有成吨的冰，当然这些成吨的冰是指由甲烷，氨，水等组成的冰冻气体。
天王星形成过程想像图
也许它们比木星和土星要小，但这些重冰意味着它们的密度会增大。作为太阳系的冰巨人行星，天王星和海王星似乎太大了。
要知道在新生恒星周围由气体和冰组成的圆盘不会永远存在下去。而且太阳系深处的物质分布得很薄。当它们在太阳系深处运行时，两个天体相互碰撞和吸积的时间就会变慢。
因为太阳外围的公转周期要长得多，这需要非常非常长的时间。海王星和天王星围绕太阳运转的速度非常慢，以至于无法与足够多的冰物质发生碰撞，从而形成我们今天看到的巨行星。
所以当科学家们在这个非常遥远的轨道上观察海王星时，太阳系这个轨道应该没有足够的时间来建造一个像海王星这样的行星。
很长一段时间，科学家们都被这个谜题所困扰。随着科学技术的发展，当人类终于可以探索系外行星时，这个谜团才得以解开。
【天王星与海王星互换了位置】
当科学家们探索系外行星时，发现像海王星质量的行星在其他恒星周围非常常见，但它们都不在我们发现海王星的地方。
事实上，在其他恒星周围发现的情况是，海王星质量的行星，它们非常普遍，但却非常接近恒星，很多都是非常接近于我们太阳系内水星的轨道。
在我们的太阳系中，海王星和天王星离太阳远得不可思议。然而在其他恒星系中，冰巨行星离它们的恒星近得不可思议。
那么发生了什么？
读者如果看过笔者往期的科普文章，就会知道，太阳系内的行星看似非常稳定地运行在自己的轨道上，而事实上，事物处于一种微妙的平衡中，在太阳系的生命周期内，行星的轨道经常是会发生变化的。它们不会在一个地方形成并永远停留在那里。
也就是说，我们现在看到行星的地方，很有可能不是它们最初形成的地方。
那么，是什么有足够的力量来移动像海王星这样的巨大行星呢？
一个更大的行星……木星。
可以说，讲到太阳系时，木星这个“恶霸”是绕不过去的坎。它是行星中的老大，它的一举一动都牵动着太阳系内的其他事物。
行星有一种运动的方式，是通过相互作用的引力。所以它们能感受到彼此的引力，引力可以拖拽，也可以拉动，这种效应会导致行星在它们的行星系统中缓慢迁移。
在太阳系形成初期，巨行星之间的距离要近得多，两颗行星离得越近，他们之间的这种影响力就越大。
最重要的是，它们的轨道排列顺序可能与我们今天看到的并不同。
当时的排列顺序是：木星、土星、海王星和天王星。
那么是什么导致海王星和天王星交换了位置呢？
答案在于木星和土星。这两颗最大的巨行星上演了一场引力之舞。它们之间总是有这种相互作用。
经过数百万年，一种节奏慢慢形成这些巨行星相互推拉，并进入更椭圆的轨道。
当这种引力之舞达到高潮后，拉伸轨道变得不稳定，巨人们偏离了航向。
当土星和木星远离太阳时，它们就把海王星抛到天王星的外面。当海王星穿越太阳系时，它会把碎片推到它前面。
这些都是行星形成时剩下的冰碎片，海王星会把这些尸体推出去。这就柯伊伯带的成因。
海王星被木星与土星的引力之舞抛到天王星的外面示意图
这个由数千个冰和岩石组成的小天体带就在海王星的轨道之外。你可以把柯伊伯带的结构想象成“谋杀现场墙上的血迹”。
这是海王星猛烈向外移动时，穿越太阳系的记录。
但海王星的运动不只是把这些小冰体抛到柯伊伯带，它也使其中一些撞向太阳系内部，有些还轰炸了早期的地球。
这是自太阳系诞生以来，地球上最猛烈的时期，也就是太阳燃烧形成5亿年之后。这被称为晚期重轰炸时期。
在晚期重轰炸中，如果有“幸”生活在地球上，你会不断看到石头从天上掉下来。
这将是生命的最糟糕的时刻，然而，这一连串的冰体也带来了生命所必需的东西。
太阳系外围的天体有一个特点，就是我们经常能发现有机物。有机物是我们今天所发现的所有生物的基础。它们是在早期太阳系尘埃颗粒表面形成的碳基分子。
虽然岩质内行星在成长的过程中也会把这些有机物卷走，但这些年轻行星焦灼的表面太不适合这些脆弱的分子生存了。
然而，在这些海王星抛向早期地球的太阳系外围小型冰态天体上，有机物依然完好无损。
从某个角度上来说，海王星是太阳系的宇宙传送服务员。所以太阳系外围冰巨星的存在可能对今天地球的存在至关重要。这些冰巨行星所做的可能不仅仅是为地球上的生命提供了动力，他们可能还阻止了我们的星球被完全摧毁。
【“冰巨人”保护了我们】
大约40亿年前，年轻的地球受到太阳系“恶霸”木星的威胁，木星位于多岩石的内行星和巨大的外行星之间。木星主宰着整个太阳系。
当木星和土星锁定它们的引力之舞时，它们向外迁移，开始远离太阳。木星巨大的引力会把地球和金星一起拉过来。地球和金星的轨道应该会相互拉伸和重叠。这将是一场即将发生的碰撞……
庆幸的是……它没有发生。所以我们在地球上可以谈论这个事实。
那么是什么东西保护了我们呢？科学家们认为，在木星有机会把地球和金星拉到碰撞轨道之前，有什么东西把木星拉到了不同的轨道上。
但是什么导致了木星的迁移有如此大的飞跃呢？此时，在这个故事中冰巨人出场了。让木星在迁移过程中有一个大的跳跃并不容易。
科学家们通过计算模拟程序再现了这种跳跃。让木星将海王星大小的物体完全从太阳系中喷出。
木星有很大的引力，如果你离它太近，在向木星坠落的过程中你就会被加速，就有可能会这样把一颗行星完全甩出太阳系。
但是即便是对木星来说，海王星那么大的行星还是很重的，把它弹射出太阳系就会给木星一个反作用力。木星就会被位到新的轨道上，地球得救了。
但我们知道，海王星以及天王星还在太阳系内运行，它们都没有被甩出太阳系。那么究竟是哪个冰巨人为我们牺牲了自己？
如果用计算机模似器来预测行星的行为，就会发现，如果只有木星、土星、天王星和海王星，是不可能在不喷射天王星或海王星的情况下来拯救地球的。
但它们都在那里，所以科学家们知道这是不对的，然而，如果再加上第三颗冰巨星，那一切就都能顺利进行了。我们的地球真的得救了。
所以，在太阳系内，很有可能一开始就有三颗冰巨星，其中一个离木星太近了。我们的太阳系“恶霸”把这个受害者扔出了太阳系。而木星也被这个冰巨行星的引力推入新的轨道。最终地球摆脱了木星致命的引力，太阳系变成了我们今天所看到的安全有序的地方。
所以，作为地球上的人类，我们应该感谢这颗不知名的冰巨星，虽然它现在已经不存在了。
【失踪的冰巨人】
那么这个失踪的冰巨人现在在哪里？
答案非常惊人，它可能就在银河系的另一边。
太阳以每小时50万英里的速度绕着银河系转，在地球的历史中，我们大约已经绕了20圈了。
我们可能会在银河系的任何地方失去那颗行星，但这第三个冰巨人是真的迷路了还是只是躲起来了？
2016年1月，加州理工学院的天文学家宣布了一个惊人的消息：他们声称已经发现了证据，证明在柯伊伯带外有一颗神秘的第九颗行星。
模拟表明，如果这颗所谓的第九行星存在，它的大小与海王星和天王星相似。
它会是地球的救世主吗？太阳系中原本缺失的自我牺牲冰巨人有可能是第九行星吗？
是的，它可以是！
也许这第三颗冰巨星，并没有从太阳系喷射出去，而是在一个非常非常长的周期内，围绕着年轻的太阳系运行。
第九颗行星被认为是非常遥远的行星。它绕太阳公转需要2万年的时间。
由于这颗被认为可能是太阳系的第九颗行星的距离实在太过遥远了，所以目前还没有天文望远镜发现它。
如果它被证实真的存在，那么，我们的教科书可能又要再次改写，太阳系再次拥有九大行星。
无论第九大行星是否是失散已久的兄弟行星，冰巨星在驯服木星方面发挥了巨大的作用。它们使我们的太阳系成为今天的避难所。
【海王星拥有太阳系中最快的风】
天王星和海王星它们位于我们太阳系的边缘，这使得它们很难研究。所以对科学家们来说，它们非常神秘。
由于很难用地球上的望远镜观察到，导致这些行星长期以来一直被忽视。
我们唯一一次近距离看到这些遥远的庞然大物，是在20世纪80年代旅行者2号飞过它们的时候。
当科学家们第一次近距离看到海王星的照片时，科学家们感到非常震惊。他们发现，海王星拥有太阳系中最快的风。
在地球上，我们的风实际上是由不同的温度和阳光驱动的。
海王星距离太阳30亿英里，太远了，它几乎没有从我们的母恒星接收到任何能量。
那里真的很冷，为什么会有这么快的风？
此前科学家们一直认为，一颗行星从太阳接收到的能量越少，它的天气就会越安静……
但海王星一点也不平静，它被猛烈的暴风雨所覆盖，有些风暴的大小堪比内行星。
那是一场相当大的风暴，有记录以来，海王星上最大的风暴之一是1989年的大黑点。
海王星上的大黑点
那是一场巨大的风暴，大到足以吞没整个地球。以每小时1500英里的惊人速度飞驰着。
地球上最快的龙卷风风速，只有几百英里每小时，但这已经造成了毁灭性的破坏。
所以很难想象海王星上的风会有什么影响，进入海王星上层大气的探测器记录到零下224摄氏度的冰冻温度。
这么冷，应该吹不出风来，然而，在600英里深处，探测器被海王星无情的喷射气流给粉碎了。
往下潜得越深，温度就越高，海王星内部产生的热量几乎是来自海王星表面气体球所产生的热量的三倍。
奇怪的是，这些高速海王星的风并不是由太阳的热能驱动的。事实上，它们是由海王星内部的热能提供能量的。
那么这些内部热量是从哪里来的呢？
当行星形成时，这是一个非常暴力、能量非常充沛的事件。此时行星是非常热的，需要数十亿年的时间才会将热量释放掉。
所以海王星可能仍有大量的热量被困里面，当热量像泡沫一样冒出来时，这就是使大气变热并最终导致这种恶劣天气的产生。
那么海王星是如何保留这么多热量的呢？
这个秘密深藏在大气层之下，当你一直往下，你会发现压力越来越大。直到你最终被压扁。大气层会变得越来越厚，像雾一样，最后你会突然意识到，你已经在海洋里了。
海王星有一个由甲烷、氨和水组成的高密度流体地幔。所以，冰巨行星并不是固态的冰球，而是由旋转的液体物质组成的移动海洋。
这种旋转的液体会留住热量，就像毯子一样把核心隔离起来。这就是海王星恶劣天气的秘密。
而海王星富含甲烷的地幔中，强烈的内部热和压力可能会产生另一个不同寻常的影响。
在非常强烈压力下，甲烷会被分解。甲烷是由碳和氢组成，所以如果把碳压缩到极致，就可以得到钻石。
所以完全有可能，在海王星的液体地幔的海洋里，下着钻石的倾盆大雨。
【天王星才真正的神秘者】
天王星可以说是太阳系内最奇怪的行星。
1986年一月份，旅行者2号以每小时超过40000英里的速度接近天王星，天文学家等待这一刻已经8年了。
在“旅行者”号抵达前，科学家们所知道的天王星，只是一个平淡、苍白的蓝色球体。
现在终于可以看清这颗神秘的巨行星了。
天王星最显著的特征是，它的倾斜角度。虽然所有的行星相对于太阳系都是倾斜的，地球是23度，木星只有几度。但天王星实际上是侧躺着，它倾斜了98度。
天王星的倾斜度几乎是太阳系中其他行星的四倍。它平躺着，所以它的两极是水平的，它的环和卫星相对于太阳系的平面是垂直的。
地球的倾斜使得四季分明，而天王星的极端倾斜给了它极端的季节。
它的两极每年有两次直接指向或远离太阳。所以每个极地都有一个非常强烈的正午太阳和一个黑暗寒冷的极地之夜。
天王星绕太阳公转需要84年，所以这些季节会持续很长时间。当北半球有20年时间的日照时，南半球则有20年的黑暗。
天王星有点像“权力的游戏”，等了很久的冬天的到来了，然后冬天却持续了20年。
而每当，太阳光照射在赤道上时，此时整个星球都被照亮了。阳光照射到旋转行星的赤道，将能量泵入表面，使大气变暖并驱动星球周围的气流。
其结果就是，天王星的春天和秋天，巨大的风暴在星球上肆虐。
所以，与它的冰巨人兄弟海王星不同的是，天王星的风暴是有季节性的而不是恒定的风暴。
那么为什么天王星是这样绕着太阳转，而其他行星却像陀螺一样旋转呢？
这与我们所知的行星形成过程背道而驰。
在太阳系中形成新行星的过程中，很像制作棉花糖。所有的东西都在向一个方向旋转。如果你把一根棍子放进去，物质会以一定的方向聚集在它周围。
这就是为什么所有行星都有大致相同的轨道轴的原因。
所以，天王星一开始应该有一个垂直的轨道轴。那它是如何翻转过来的呢？
我们知道在早期的太阳系中，有很多行星或行星大小的物体之间会相互碰撞。
人们很自然地认为天王星可能是受到了另一个巨大物体的轻微撞击，导致它向一侧倾斜。
但是这个假设有一个问题，如果你对天王星进行一次简单的撞击，把它撞翻到98度。那么实际上你所期望的是，剩下的光环相对于行星的自转方向将是错误的。
什么样的事件可以强大到足以翻转一颗行星，但又温和到可以把所有围绕它的东西都带到轨道上？
一次单独的大碰撞不可能会发生在天王星上。因为那会造成太大的破坏。
有点像拳击，不是一次致命一击，而是相对比较弱的一拳二拳和多次击中。
所以，一种理论认为：新形成的天王星被一颗地球大小的原行星撞击，这一击只是一掠而过，天王星被撞向它目前的倾斜方向。它的环系统经受住了撞击，停留在赤道附近的轨道上。
当第二个天体撞击天王星时，天王星一路倾斜，光环随之变化，最后天王星以侧躺的形式绕太阳运行。
天王星的第一次碰撞想像图
天王星的第二次碰撞想像图
【海王星有个奇怪的卫星】
天王星与海王星都有比较多的卫星。到目前为止，天文学家已经在天王星周围发现了27颗卫星，在海王星周围发现了13颗。但在这13颗卫星中，有一个卫星非常奇怪，使得它有在众多卫星中“鹤立鸡群”。
就是海卫一，相比于天王星侧躺的姿势，它有一个更奇怪的轨道，它竟然反向绕海王星运行。我们称之为逆行轨道。
一个巨大的行星和它的卫星是由相同的气体、尘埃和岩石物质组成的漩涡盘形成的。较轻的气体更容易落入中心形成行星。而一些较重的岩石物质留在圆盘上，形成卫星。
通常情况下，卫星的运行方向与行星的运行方向相同。但在海卫一和海王星的情况却是完全相反的情况。
所以科学们认为，它不可能在海王星周围的轨道上形成。
它一定来自其他地方，而关于它来自哪里的一个奇妙线索，就是附近的邻居——冥王星。
冥王星是柯伊伯带附近的一颗矮行星，它只比海卫一小200英里。
但这两个天体的相似之处并不仅仅在于它的大小，而是他们的成分。
海卫一实际上与冥王星最为相似，它的内部有类似数量的岩石。它表面成分也类似，含有大量的氮和甲烷。它看起来真的很像一个类冥王星的世界。但它只是围绕着一颗行星运行，而不是围绕太阳运行。
如果海卫一和冥王星一样，也许它也是在柯伊伯带诞生的。它会不会被海王星的引力捕获，被拉进这颗气体巨星的轨道呢？
要把了卫星捕获到围绕行星的轨道上并不容易，当一个物体靠近另一个世界然后螺旋进入，这时必须要刹住车。
所以海王星要想捕获海卫一，就必须减慢海卫一的速度，但如何减慢呢？
柯伊伯带的物体再次提供了线索。在柯伊伯带，许多最大的矮行星都是双星，即两个互相环绕的世界。比如冥王星和它的大卫星冥卫一。
也许海卫一也是其中之一。如果海卫一和另一个伙伴一起在轨道上运行，那么每一对都将以不同的速度运行。这种速度差异是关键。
海卫一的速度稍微慢一点，它在绕着它的伴星旋转，它的速度足够慢，以至于可以被海王星捕获。
而另一个则被海王星加速被甩了出去。就这样，海卫一原来的舞伴不见了，因为它有了一个更大的新伙伴，海王星。
海卫一除了有奇怪的轨道，但还有一个更奇怪的谜题。
在海卫一这样的卫星上，科学家们预计会看到大量坑洞地形。这是地质上死亡世界的标志。然而恰恰相反，“旅行者2号”揭示了一个惊人的活着的世界。
当“旅行者2号”飞过海卫一时，科学家们看到液氮喷流从海卫一表面喷涌而出。
没想到这个又小又冷的世界，竟然还“活着”。光滑的冰覆盖在星球表面，氮气间歇泉穿过地壳向上喷射，向天空喷出5英里的黑色尘埃。
科学家们一直以为它离太阳太远，太冷，太死气沉沉，它只是一个像其他卫星一样的冰球，然而，并不是。
驱动这些地表特征的热量从何而来？
答案就在于海卫一是海王星捕获过来的。海卫一现在的轨道是圆形的，但它曾经是椭圆形的。
当海卫一不断靠近或远离时，它会不断受到海王星引力的挤压和拉伸。这将在海卫一内部产生大量摩擦。
在这些力量的作用下，海卫一可能会完全融化。当这种情况发生时，它会起到刹车的作用，所有这些摩擦会使海卫一的轨道变成圆形，并使它运行在我们今天看到的轨道上。
正是这种轨道上的变化给了海卫一热量。虽然海卫一的表面被冻住了，但这颗卫星在冰壳的深处仍然保留着一些温暖。
天文学家认为有足够的热量将冰融化成水在距离太阳30亿英里的地方形成一个地下液态海洋。
既然，有液态水，有热量……那么就有一个“老生常谈”的问题：会有生命存在吗？
如果海卫一上有能量来源，那么也许有某种生命知道如何利用这种能量来源。
所以，如果海卫一有生命存在，这个冰冻的球体可能就是离太阳最远的宜居世界。
【天王星的卫星更奇怪】
天王星是一个有着美丽的光环和27个卫星的冰巨人。但它的卫星的位置却是个谜。其中一半在于紧密排列的轨道中。
这么多卫星如此紧密地排列，看起来似乎很不稳定，卫星应该在碰撞。
更令人惊讶的是，在2003年，哈勃太空望远镜发现了两个新环和两个新卫星——“马伯”（天卫二十六）和“丘比特”（天卫二十七）。
问题来了，这些卫星从何而来？
科学家们认为，当你看到一个环系统，其实你看到的是一个过程的一部分。
在地球的历史上可能有一段时间，它也有一个环。那个时候，我们的月球正在形成。即行星的光环会随着时间的推移会形成新的卫星。
所以，天王星的这些新卫星似乎是由以前的光环系统的物质组成的。
科学家们通过计算机模拟了天王星的卫星。发现，“丘比特”卫星与另一颗卫星“贝琳达”（天卫十四）非常接近。在几千年的时间里，当它们的轨迹相交时，很可能会发生碰撞。
这种碰撞会产生多米诺骨牌效应，碎片会撞向其他卫星，并会产生很多碎片。最后导致一次碰撞会引发一系列碰撞。
科学家们认为，“丘比特”和“贝琳达”不仅会摧毁对方，而且会摧毁天王星所有的内卫星，一场失控的毁灭碰撞将天王星的卫星碾碎成鹅卵石。
碎片就会在天王星周围形成一个环系统，随着时间的推移，这个环系统开始孵化新的卫星。然后这些卫星会再次相互碰撞，相互研磨成尘埃。
于是天王星的环系统就会在卫星碰撞粉碎成环，然后环又孵化出卫星这样不断地循环中往复。
当科学家们观察了卫星“米兰达”（天卫五），发现这颗卫星像是重新组装起来。这可能就是以前碰撞的碎片形成卫星的证据。
“米兰达”（天卫五）像是重新组装起来的卫星
如果天王星的卫星自天王星第一次形成以来，每百万年就发生一次碰撞和重组，那么就已经进行了4000代卫星了。这个系统从未稳定下来，卫星碰撞并被摧毁，残余物被循环利用，出生、生长、死亡、重生。
最终，我们在这些卫星上看到的重生和死亡的永恒循环。这很有可能是宇宙中许多事物的真实写照，甚至有可能涉及到恒星、行星，甚至是宇宙的本身。
对于天王星和海王星，科学家们只是通过“旅行者2号”在二十年前的那个飞过它们的瞬间观察了它们。所以这简直是一次走马观花。
科学家们学到了很多，但还有很多，还不明白。想知道更多的内容，唯一的途径就是执行专门的任务去拜访天王星和海王星。
但，至少科学家们已经知道了一些冰巨行星的故事，我们今天在这里讨论它们是因为冰巨行星的存在。没有它们，地球就不能够形成并稳定下来，并成为生命生存环境的乐土。
