“就冰卫星而言，天卫一相当独特，”论文合著者、行星科学研究所资深科学家亚历克斯·帕索夫（Alex Patthoff）说。
一颗有着惊人剧烈过去的卫星
天卫一是天王星最亮的卫星，也是距离行星第二近的卫星。其直径仅为720英里（1,159公里）（相当于从图森的行星科学研究所到犹他州盐湖城的距离），在天王星系统中排名第四大卫星。
尽管体积相对较小，天卫一的表面却异常复杂。据论文第一作者、北达科他大学应届毕业生迦勒·斯特罗姆（Caleb Strom）称，撞击坑等古老地貌与年轻得多的地形并存。一些平滑区域甚至可能是由冰火山作用形成的，这是一种水、冰或其他挥发性物质从冰冷天体喷发而非熔融岩浆喷发的过程。
天卫一表面还布满了断裂带、山脊和地堑（即地壳部分下沉至周围地形下方的区域）。其中一些结构的规模比太阳系中几乎任何其他地方发现的都要大。
重构天卫一的隐秘内部
正是这些巨大的表面特征促成了这项新调查。研究人员希望确定天卫一的内部和轨道在过去可能是什么样子，从而产生了今天可见的断裂带。
一个关键因素是轨道偏心率，它描述了轨道与完美圆的偏离程度。天卫一内部结构和轨道偏心率的变化都可能影响作用于其冰质地壳的潮汐应力大小。当这颗卫星绕天王星运行时，引力反复对其拉伸和挤压，可能在表面产生足够的应力，从而引发大型断裂带。
“首先，我们绘制了在表面上看到的较大结构，然后使用计算机程序对表面的潮汐应力进行建模，这些应力是由天卫一在轨道运行中靠近和远离天王星时，从足球形状变形为略微的橄榄球形状再变回来所产生的，”帕索夫说。“通过将模型与我们在表面上观察到的情况相结合，我们可以推断天卫一过去的偏心率以及海洋可能有多深。”
偏心率大得多的轨道
研究人员发现，天卫一曾经的轨道偏心率可能约为0.04，大约是现今数值的40倍。
尽管0.04仍然代表一个看起来近乎圆形的轨道，但这一差异会极大地放大作用于天卫一的潮汐力。其轨道偏心率大约是木星卫星木卫二的四倍，后者的冰壳因持续受到引力的拉伸和挤压而严重断裂。
这些力量可能在塑造天卫一引人注目的地貌方面发挥了重要作用。
“为了产生这些断裂带，要么在巨大的海洋上有一层非常薄的冰，要么具有更高的偏心率和较小的海洋，”帕索夫说。“但无论哪种情况，我们都需要有一个海洋，才能在天卫一表面产生我们所看到的断裂带。”
天王星可能曾拥有双生海洋世界
这项天卫一研究是检验天王星卫星表面下可能曾经存在过什么的系列研究中的第二项。去年，同一个研究团队对绕天王星运行的另一颗冰卫星天卫五（Miranda）报告了类似的结果。
这些发现共同提出了一种可能性，即天王星系统中可能不止一颗卫星曾含有大量地下海洋。
“我们正在寻找证据，表明天王星系统可能孕育着双生海洋世界，”合著者、约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的汤姆·诺德海姆（Tom Nordheim）说，他也是资助天卫五和天卫一研究的NASA太阳系运作项目拨款的首席研究员。“遗憾的是，我们只看到了天卫一和天卫五的南半球。但我们的结果可以让我们预测未来的航天器可能会在这些卫星尚未成像的北半球看到什么，例如那里的断裂带和山脊的位置。最终，我们只需要回到天王星系统亲眼看看。”
未来的天王星任务可能揭示什么
科学家们仍不确定天卫一的深海可能存在于何时，或持续了多长时间。然而，这些新结果为未来研究遥远冰冷天体上的地下海洋如何形成、演化以及可能如何随时间消失提供了重要基础。
未来的天王星航天器任务也可以通过拍摄天卫一和天卫五尚未探索的北半球图像，并寻找其模型所预期的断裂带和山脊，来检验研究人员的预测。
这项研究还得到了北达科他州航天资助联盟的资助。