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天王星可以说是太阳系中最神秘的行星——我们对它知之甚少。到目前为止人类探测器只访问过一次——旅行者2号宇宙飞船早在1986年。关于这个巨大冰最明显奇怪的事情是天王星在它的一边旋转。与所有其他行星不同，天王星几乎是倾斜成一个直角（近90°），它们的自转轴与围绕太阳公转的轨道几乎成直角。所以在夏天，北极几乎直接指向太阳。


博科园-科学科普：不像土星、木星和海王星，它们的周围有水平的环，天王星有垂直的环和围绕其倾斜赤道运行的卫星。与地球和木星等大多数行星的条形磁铁形状不同，这颗冰巨星的温度出奇的低，磁场杂乱且偏离中心。因此科学家们怀疑天王星曾经与太阳系的其他行星相似，但后来突然翻转过来。那么发生了什么？新研究发表在《天体物理学》上，并在美国地球物理联合会的一次会议上发表。

• 这是美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的天王星伪彩色照片。图片：NASA

灾难性的碰撞我们的太阳系曾经是一个很暴力的地方，原行星(发展成为行星的物体)在猛烈的巨大碰撞中碰撞，造就了我们今天看到的世界。大多数研究人员认为天王星的自转是剧烈碰撞的结果，天文学家着手调查这件事是如何发生的。研究对天王星的巨大影响，看看这样的碰撞究竟会如何影响地球演化。不幸的是，还不能(还)在实验室里造出两颗行星，然后把它们撞在一起，看看到底发生了什么。相反使用强大的超级计算机运行计算机模型来模拟这些事件，这是第二好的方法。其基本思想是在计算机上用数百万粒子模拟碰撞的行星，每个粒子代表一大块行星物质。给出了模拟方程来描述物理，比如重力和物质压力是如何运作的，这样它就可以计算粒子碰撞时是如何随时间演化。


通过这种方法，甚至可以研究一场巨大撞击所产生的极其复杂和混乱的结果。使用计算机模拟的另一个好处是我们可以完全控制。可以测试各种不同的影响场景，并探索可能的结果范围。模拟(见上图/下图)显示，一个质量至少是地球的两倍的天体，通过撞击并与一颗年轻的行星合并，可以轻易地产生今天天王星所具有奇怪的自转。对于更多的掠食碰撞，撞击体的物质可能会分散在靠近天王星冰层边缘的一个薄而热的壳中，在氢和氦的大气层之下。这可能会抑制天王星内部物质的混合，将其内部深处形成的热量捕获。令人兴奋的是，这个想法似乎符合天王星的外表是如此寒冷。热演化是非常复杂，但至少我们清楚地知道，巨大的撞击是如何从内到外重塑一个星球。
超级计算从计算的角度来看，这项研究也是令人兴奋的，就像望远镜的大小一样，模拟中的粒子数量限制了我们能够解析和研究的内容。然而简单地尝试使用更多粒子来实现新发现是一个严重的计算挑战，这意味着即使在功能强大的计算机上也需要很长时间。最新模拟使用了超过1亿个粒子，大约是目前大多数其他研究使用的100- 1000倍。除了制作一些令人惊叹的图片和动画来展示巨大的撞击是如何发生，这也为我们现在可以着手解决各种新科学问题打开了大门。


这种改进归功于SWIFT，科学家设计的一种新的模拟代码，充分利用了当代的“超级计算机”。这些基本上是很多普通的电脑连接在一起。因此，快速运行大型模拟依赖于在超级计算机的各个部分之间划分计算。SWIFT估计模拟中的每个计算任务将花费多长时间，并尝试仔细地平均分配工作，以获得最大的效率。就像一个巨大的新望远镜，这个跳跃到1000倍的高分辨率揭示了我们从未见过的细节。
太阳系外行星除了更多地了解天王星的具体历史，另一个重要的动机是更全面地了解行星的形成。近年来发现最常见的系外行星(围绕太阳以外恒星运行的行星)与天王星和海王星非常相似。因此，我们所知道关于太阳系冰巨行星可能演化的一切，都有助于我们理解它们的远亲，以及潜在宜居行星的演化。研究的一个令人兴奋的细节与地外生命问题非常相关，那就是在巨大撞击之后大气层的命运。高分辨率模拟显示，在最初的碰撞中幸存下来的一些大气仍然可以被随后行星的猛烈膨胀所移除。大气层的缺乏使行星不太可能有生命存在。然而也许大量的能量输入和添加的物质也可以帮助创造有用的化学物质。

旅行者2号拍摄到的天王星，图片：NASA/JPL-Caltech

来自撞击体核心的岩石物质也可以混合到外部大气中。这意味着，如果我们在一颗系外行星的大气层中观察到某些微量元素，它们可能是类似影响的指标。关于天王星还有很多问题，以及总体上巨大的影响。即使模拟越来越详细，仍然有很多要学习。因此许多人呼吁对天王星和海王星进行一次新的任务，以研究它们奇特的磁场、奇特的卫星和光环家族，甚至仅仅是研究它们究竟是由什么组成。我非常希望看到这种情况发生，观测、理论模型和计算机模拟的结合最终将帮助我们了解不仅是天王星，还有宇宙中无数行星以及它们是如何形成的。

旅行者2号拍摄的伪彩色天王星照片，图片：NASA