天王星衛星起源與地球和木星的形成不同

與天王星相比，天王星的衛星總質量非常低，並且在軌道上與天王星相距甚遠。這些特徵可以用冰行星特有的模型來解釋，與地球等岩石行星和木星等氣體行星不同。

太陽系中的許多行星通常相對於圍繞太陽的軌道平面垂直旋轉，但天王星的旋轉軸從直立方向向下傾側98°。天王星的五顆主要衛星（天衞一 Ariel、天衞二 Umbriel、天衞三 Titania、天衞四 Oberon 和天衞五 Miranda）也與天王星的自轉一起環繞軌道運行。

一組由日本東京工業大學地球與生命研究所井田茂教授、京都大學上田翔士研究員、佐佐木貴教副教授和石澤祐彌博士後研究員組成的研究團隊，對天王星衛星形成進行電腦模擬發現，天王星形成時，最初好像其它行星一樣，是垂直旋轉，它的質量是地球的十五倍，主要成份是冰，如果由一顆質量比地球大一至三倍的天體碰撞，它的自轉軸是可以傾斜98。如果那時散落的碎片聚集在一起形成衛星，則可以解釋為衛星的軌道表面也位於下方。但是，所有現存的衛星總質量僅是天王星質量的0.01％，而由碰撞碎片產生的衛星質量大約是殘餘物質的1％。

同樣，碰撞產生的碎屑應堆積在行星附近。月球原本靠近地球，但由於它與地球四十五億的年重力相互作用而逐漸遠離。天王星的衛星都沒有足夠的能力來做到這一點，特別是天王星最大的兩夥衛星向外傾斜，它們的軌道半徑是天王星的十五至二十五倍。

作為衛星誕生的場景，除了巨大的碰撞理論外，還可以考慮使用星盤理論。當剛出生的星球吸收周圍的氣體時，它形成一個星盤，從中誕生衛星。在這種情況下，衛星的總質量為行星的0.01％，並且可以認為木星的和它的伽利略衛星（根據該理論誕生）是適用的。但是，天王星並不是從一開始就橫向誕生的，因此，星盤理論無法解釋衛星的軌道是橫向的。

天王星碰撞產生衛星的場景與地球月球形成的過程相似，但是在岩石地球上，零散的碎片會迅速凝結，那麼什麼規模巨大碰撞發生的是月亮的製造過程。另一方面，結果顯示，當衛星是由像天王星這樣的冰冷天體誕生時，不僅第一次碰撞要考慮，冷卻和星盤擴散過程都很重要。

因此，與地球和木星型行星有完全不同的衛星形成理論模型，通常可以應用於像天王星這樣的冰行星的標準模型。對於太陽系中的海王星，以及歸類為超級地球的太陽系外行星，也將進行類似的推論，這些行星的質量是地球的幾倍，並且有機會是由岩石和冰組成。

【圖、文：節譯自東京工業大學2020年4月6日新聞公佈】研究全文刊登在2020年3月30日已經出版的《自然-天文學》期刊