最新研究为天王星和海王星的内部结构提供了全新的视角

加州大学伯克利分校的最新研究为天王星和海王星的内部结构提供了全新的视角，显示出水和碳氢化合物的层状结构。这些发现解释了行星不寻常的磁场，并得到了模拟的支持，模拟显示极端条件导致氢分离，从而稳定了层状结构并抑制了对流。

天王星或海王星等冰巨行星的剖面图。 一种新的理论认为，在稠密的大气层下面有一层富含水的层（蓝色），它与更深的高温高压碳、氮和氢层（琥珀色）分离。 压力将氢从甲烷和氨分子中挤出，形成了无法与水层混合的分层碳氢化合物层，从而阻止了产生双极磁场的对流。 图片来源：《量子》杂志 Quanta 杂志

钻石雨？ 超离子水？天王星和海王星是太阳系中神秘而又看似不起眼的冰雪巨行星，科学家们提出了这两种观点来解释天王星和海王星稠密、偏蓝的氢氦大气层下隐藏着什么。

现在，加州大学伯克利分校的一位研究人员提出了一个新观点。 他认为，这些行星的内部由不同的层组成，就像油和水一样，不会混合。 这种分层结构为这些行星不寻常的磁场提供了令人信服的解释，并对以前关于行星内部组成的理论提出了挑战。

布克哈德-米利策（Burkhard Militzer）在11月25日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中指出，在云层之下是一片深邃的水海，在水海之下则是高度压缩的碳、氮和氢流体。 计算机模拟显示，在行星内部的温度和压力下，水（H2O）、甲烷（CH3）和氨（NH3）会自然地分离成两层，这主要是因为氢会从甲烷和氨中被挤压出来，而甲烷和氨构成了深层内部的大部分。

这些不溶解层可以解释为什么天王星和海王星都没有像地球那样的磁场。 这是 20 世纪 80 年代末旅行者 2 号探测器对太阳系冰巨行星的惊人发现之一。

加州大学伯克利分校地球与行星科学教授米利策说："我想说，我们现在有了一个很好的理论，天王星和海王星为什么有真正不同的磁场，而且与地球、木星和土星非常不同。我们以前并不知道这一点。 这就像油和水，只不过油会流到下面去，因为氢会流失。"

米利策说，如果其他恒星系统具有与我们类似的成分，那么这些恒星周围的冰巨星很可能具有类似的内部结构。 天王星和海王星大小的行星--所谓的海王星下行星--是迄今为止发现的最常见的系外行星之一。

天王星内部结构图显示了四个不同的层次：氢（浅蓝色）、水（深蓝色）、碳氢化合物（红色）和岩芯（黄色）。 天王星的无序磁场源自水层。 这张照片还显示了天王星轴相对于其轨道的极度倾斜，以及环绕该行星的一个微弱的物质环。 资料来源：伯克利加州大学 Burkhard Militzer 和美国国家航空航天局

当行星从表面向下冷却时，较冷和较稠密的物质会下沉，而一团较热的流体则会像沸水一样上升--这个过程被称为对流。 如果内部是导电的，一层厚厚的对流物质就会产生类似条形磁铁的偶极磁场。 地球的偶极磁场由其液态外铁芯产生，形成一个从北极环绕到南极的磁场，这也是指南针指向两极的原因。

但是旅行者 2 号发现，两颗冰雪巨行星都没有这样的偶极磁场，只有杂乱无章的磁场。 这意味着在行星内部深处的厚层中没有物质的对流运动。

为了解释这些观测结果，两个不同的研究小组在20多年前就提出，行星必须有不能混合的层，从而阻止大规模对流和全球偶极磁场。 然而，其中一个层中的对流可能会产生紊乱的磁场。 但这两个小组都无法解释这些非混合层是由什么构成的。

十年前，米利策利用计算机模拟了大约100个原子，其中碳、氧、氮和氢的比例反映了早期太阳系中已知的元素组成，他反复尝试解决这个问题。 在预测的行星内部压力和温度下--分别是地球大气压力的340万倍和4750开尔文（8000华氏度）--他找不到形成层的方法。

然而去年，在机器学习的帮助下，他运行了一个计算机模型，模拟了540个原子的行为。

"有一天，我看着模型，水已经从碳和氮中分离出来。" 他说："10 年前我做不到的事情，现在都实现了，我想现在我知道为什么会形成这些层了： 在天王星和海王星中，富含碳的系统在下面。 重的部分停留在底部，轻的部分停留在顶部，无法进行任何对流。"

他补充说："如果没有一个庞大的原子系统，我是无法发现这一点的，而这个庞大的系统我在十年前是无法模拟的。"

他说，挤出的氢量随压力和深度的增加而增加，形成一个稳定的碳氮氢分层，几乎就像塑料聚合物。 上层富含水的层可能会对流，从而产生观测到的无序磁场，而较深的分层富含碳氢化合物的层则不会。

当他模拟天王星和海王星分层产生的重力时，重力场与旅行者 2 号近 40 年前测量到的重力场相吻合。

他说："如果你问我的同事，'你认为天王星和海王星的引力场是怎么形成的？从我的角度来看，这并不靠谱。 但是，如果我们把这种分离分成两个不同的层次，那就可以解释了。"

冰巨行星天王星和海王星的内部结构模型有两个不同的中间层：上层是富含水的对流层，在这里会产生混乱的磁场；下层是不对流的富含碳氢化合物的层。 新的计算机模拟显示，冰物质在高压和高温下会自然分离成这两层。 图片来源：加州大学伯克利分校 Burkhard Militzer

根据米利策的预测，天王星厚达 3000 英里的大气层下面有一层厚约 5000 英里的富水层，富水层下面还有一层厚约 5000 英里的富碳氢化合物层。 天王星的岩石内核与水星大小相当。 虽然海王星的质量比天王星大，但它的直径却比天王星小，大气层较薄，但富含水和碳氢化合物的层同样很厚。 它的岩心比天王星稍大，大约相当于火星的大小。

他希望与同事合作，通过实验室实验在极高的温度和压力下测试原太阳系中的元素比例是否会在流体中形成层。 拟议中的天王星NASA任务也可以证实这一点，如果飞船上有多普勒成像仪来测量行星的振动的话。 米利泽尔说，层状行星的振动频率与对流行星不同。 他的下一个项目是利用他的计算模型来计算行星振动的不同之处。

编译自/scitechdaily