冰冻巨星还是岩石巨星？一项研究重新审视天王星和海王星真实构成

抖音热门 2025年12月19日 20:23 1 cc

长久以来，天王星和海王星一直被贴上"冰巨星"的标签，科学界普遍认为这两颗遥远行星的内部充满了水、氨和甲烷等冰冻物质。然而，苏黎世大学和瑞士国家行星研究中心的最新研究正在颠覆这一认知。发表在《天文学与天体物理学》期刊上的这项工作表明，这两颗神秘的巨行星可能比我们想象的更加"坚硬"，它们的内部或许蕴藏着比预期多得多的岩石成分。

这项研究并未宣称已经确切解开了天王星和海王星的内部结构之谜，但它提出了一个重要观点：将这两颗行星简单归类为冰巨星可能过于武断。研究团队主要成员、苏黎世大学博士生卢卡·莫尔夫坦言，冰巨星这一称呼过于简化，而天王星和海王星仍然是我们知之甚少的行星。这种未知不仅源于它们极其遥远的距离，更在于我们缺乏足够的观测数据来支撑理论模型。

突破传统的建模思路

在探索行星内部结构的道路上，科学家面临两种截然不同的研究路径。物理模型虽然基于严格的物理定律，但由于未知参数过多，往往引发无法回答的问题；而经验模型尽管简单直观，却过度依赖假设，与真实情况可能相去甚远。苏黎世大学团队开发的新方法巧妙地融合了两者的优势，创建了一种"不可知论"模型，这种方法不会预先假定行星内部存在何种物质。

具体而言，研究人员从随机的内部密度分布入手，不预设是否存在大量水冰。通过计算与观测数据相符的引力场，他们推导出了可能的物质组成。整个过程需要重复数千次迭代，直到模型输出与实际测量结果达到最佳吻合。这种方法的优势在于，它允许数据本身说话，而非强迫数据去适应预设的理论框架。

项目协调员、苏黎世大学教授拉维特·赫勒德透露，这个想法早在十五年前就已萌生，但直到现在才拥有足够强大的数值工具来证明天王星和海王星既可能富含水冰，也可能以岩石为主。然而，研究团队并未进一步确定这些行星可能的分层结构或岩石核心的精确尺寸，因为现有数据的不确定性仍然太大。

这一发现与我们对太阳系外围天体的其他认知相呼应。例如，新视野号探测器对冥王星的观测显示，这颗曾被认为是冰雪世界的矮行星实际上拥有出乎意料的岩石含量。这暗示在太阳系形成的早期阶段，外围区域的物质混合方式可能比我们设想的更加复杂。

磁场之谜指向内部结构

天王星和海王星最令人困惑的特征之一是它们奇异的磁场结构。地球的磁场呈现出经典的偶极子形态，南北两极界限分明，磁轴与自转轴基本重合。木星和土星的磁场同样遵循这一规律。然而旅行者二号探测器在上世纪八十年代飞掠这两颗冰巨星时发现，它们的磁场完全不同寻常：不仅严重倾斜，磁轴与自转轴的夹角分别达到惊人的五十九度和四十七度，而且呈现多极结构，仿佛内部存在多个磁铁在不同方向产生磁场。

传统理论认为，行星磁场源于内部导电流体的对流运动，这一过程被称为发电机效应。地球的磁场由液态外核中铁镍合金的对流产生，木星和土星的磁场则来自金属氢层的运动。如果天王星和海王星内部是静止分层的冰层结构，很难解释它们如何产生如此复杂的磁场。

新模型为这一谜团提供了可能的答案。研究团队发现，在天王星和海王星表面之下可能存在一种被称为"离子水"的特殊物质层。在极端高压和高温条件下，水分子被压缩到一种奇特的状态，其中的氢离子可以自由移动，使得这种物质具有导电性。这些离子水层可以在特定区域产生局部的磁发电机效应，从而形成多极磁场。

更进一步的分析显示，如果这两颗行星的内部以岩石为主而非冰层，那么内部可能存在类似地球的对流循环，而非长期静止的分层结构。这种对流可以在多个区域同时产生磁场，自然地解释了观测到的复杂磁场形态。研究还指出，天王星的磁场产生区域可能比海王星更深，这暗示两者的内部结构存在微妙差异。

等待新探测器揭开真相

尽管新模型开辟了令人兴奋的研究方向，但不确定性依然存在。莫尔夫强调，我们对物质在行星核心极端条件下的行为仍然知之甚少。在距离地心数万公里深处，压力可达数百万个大气压，温度高达数千摄氏度，在这种环境下，即使是最常见的物质也会呈现出意想不到的性质。这些极端条件下的物理特性可能显著影响探测结果的解读，因此科学家需要不断改进实验室模拟和理论模型。

目前的观测数据主要来自地面望远镜和旅行者二号探测器在近四十年前的短暂飞掠。这些数据虽然珍贵，但远不足以判断天王星和海王星究竟是真正的冰巨星还是部分由岩石构成的"岩石巨星"。要获得确切答案，我们需要专门的轨道探测器，就像朱诺号围绕木星运行、卡西尼号深入研究土星那样。

美国宇航局已将天王星探测任务列为未来十年行星科学的最优先项目。计划中的天王星轨道器和大气探测器将于二零三零年代发射，预计在二零四零年代到达目标。这艘探测器将携带先进的引力场测量仪器、磁力计和大气分析设备，对天王星进行长期系统的观测。通过精确测量引力场的微小变化，科学家可以推断内部质量分布，从而确定岩石和冰的相对含量。

赫勒德教授总结道，要揭示天王星和海王星的真实本质，我们需要专门的探测任务。这不仅关乎两颗行星的分类问题，更将深化我们对巨行星形成机制的理解，为系外行星研究提供重要参考。毕竟，在已发现的数千颗系外行星中，海王星级别的行星数量众多，了解我们太阳系中这两颗冰巨星的真实面貌，将帮助我们更好地解读遥远恒星周围的世界。