编译：高杰

长期以来，我们对太阳系的认知始终如一：最内侧是四颗岩石类地行星——水星、金星、地球和火星；中间是两颗气态巨行星——木星和土星；最外层则是天王星和海王星两颗“冰巨星”。

20年前，冥王星被踢出行星行列，降级为“矮行星”。如今，科学家们说该重新审视我们对海王星和天王星的认知了——因为这两颗所谓的“冰巨星”可能几乎不含冰。

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“冰巨星”从何而来？

苏黎世大学的行星科学家Ravit Helled表示：“‘冰巨星’这个称呼有点误导性。我们其实并不清楚这些行星到底由什么构成。”

天王星和海王星最初被称为“冰巨星”，是因为它们运行在太阳系所谓的“冰线”之外——即水、氨、一氧化碳等挥发性分子以固态而非气态存在的区域。科学家曾推测，如果在太阳系早期，这一区域富含冰冻的水，那么天王星和海王星的内部可能主要由水构成，并在自身重力挤压下被压缩成一种高温“超临界”流体混合物。

然而，人类迄今为止对天王星和海王星最接近的观测数据来自40年前美国国家航空航天局（NASA）的旅行者2号任务，而这些数据极为有限，无法证实上述说法。近年来，对冥王星及其他海王星轨道以外小天体的研究表明，它们内部所含的“冰”，即水、氨等物质形成的超临界混合物，远少于科学家预期，最多仅为这些天体岩石成分的一半。

加州大学圣克鲁兹分校的行星天体物理学家Jonathan Fortney表示，目前支持天王星和海王星为冰质行星的证据，全部是间接的旁证。

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岩浆海洋假说

了解最外层行星的组成，有助于揭示太阳系最初时期以及最遥远区域中存在哪些物质，还可能为太阳系以外的世界提供线索。Helled说，比海王星稍小一些的行星是银河系中最常见的类型。“太阳系中就有这类行星的代表，但我们并不清楚它们是由什么构成的。”

因此，研究人员提出了各种关于最外层行星内部结构的假说。最近一项发表在《天文学与天体物理学》的研究提出，天王星和海王星内部可能拥有熔融岩石的海洋。

天王星（如图）和海王星可能充满了熔融的岩石岩浆。图源：美国国家航空航天局（NASA）

加州大学洛杉矶分校的行星科学家Edward Young解释说，这一想法源于对系外行星的研究。当他将所谓的“次海王星”建模为具有铁核、岩石地幔和气态氢包层时，这些物质开始混合，导致岩石的熔点降低，从而形成熔融岩浆的世界。尽管次海王星比天王星和海王星更靠近其母恒星，“但我们认为，冰巨星与次海王星的形成过程为什么必须应该有根本的不同呢？”

于是，研究团队调整了模型，使其符合天王星和海王星观测到的重力和密度数据，结果确实得到了具有浓稠岩浆海洋的世界，根本不需要冰。这种岩浆与地球火山喷出的物质截然不同：它是一种在极端压力下被压缩的流体，其中溶解了大量氢和少量氦。这种混合物可在数十亿年内保持高温，依靠行星浓厚且富含氢的大气层进行隔热。

Young表示，这种对天王星和海王星的理解，相当于“对天体物理学及其形成环境的重新思考”，即外太阳系的行星盘中，冰的含量可能远比我们曾经认为的少。

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众说纷纭

普林斯顿大学天体物理学博士Roberto Tejada Arevalo曾模拟海王星和天王星的内部结构，以解释为何海王星释放的内部热量比天王星更多。他发现，一种由水、氨、甲烷和氦混合而成的超临界岩浆内核，能够匹配这些外行星的热辐射测量值及其他观测特征。他的模型与Young的理论都要求岩石、冰和气体在天王星和海王星内部极端的压力和温度条件下充分混合，这还远未确定，他说：“这些行星存在太多未解之谜。”

以色列理工学院的行星科学家Uri Malamud则认为，这两颗行星的内部可能仍然富含冰，但主要是甲烷，而非水。Malamud及其同事模拟了在早期太阳系中化学构成物质含量变化的情况下，数十万颗类似海王星的行星形成过程，发现当大量烟尘与氢基大气混合时，其半径和质量最接近天王星和海王星。碳和氢发生反应生成甲烷，最终以液态形式存在于行星内部。由于行星中的物质混合不佳，因此没有形成岩浆海洋，导致岩石更呈分层结构。

莱顿大学天文学博士生Vanesa Ramírez在自己的建模研究中发现，天王星和海王星应含有超过60%的岩石，她也设想其外层具有更明显的分层结构。然而，最近使用阿塔卡马大型望远镜对天王星进行的测量显示，其内部一氧化碳含量很高。“许多内部结构的差异可能解释这一观测结果，我们仍在探索这些行星。”

研究人员指出，解开这个谜团的唯一方法是亲自前往探测，近距离测量其引力、磁场和大气层。在2023年美国国家科学院发布的优先级设定十年调查中，行星科学家将向天王星发射轨道器和探测器任务列在了最高优先级。“我们需要一个旗舰级任务，”Helled说，“才能把所有拼图碎片拼合起来。”

内容来自：上海市科学技术协会