新的研究提示天王星和海王星可能毕竟不是“冰巨星”

By Paul Sutter published 10 hours ago

Exoplanets

我们实际上几乎不知道关于在天王星和海王星内部什么正在发生，造成研究人员来提出这些行星相反被称为“岩石巨星”。

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 来自哈勃太空望远镜观测的天王星（左）和海王星的合成图像。(Image credit: NASA, ESA, Mark Showalter (SETI Institute), Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), Andrew I. Hsu (UC Berkeley))

天文学家长期以来一直叫天王星和海王星 “冰巨星”，因为模型提示这些外行星的内部大体由水、氨和其他冰的混合物弄成——在深空很容易冻结的化合物。但新的研究揭示我们实际上几乎不知道关于这些行星内部什么正在发生，造成研究人员来提出天王星和海王星相反被称为“岩石巨星”。

与天王星和海王星的问题是我们有极少对我们可利用的数据。与木星和土星不同，这两颗行星都已经接受了像卡西尼号探测器和朱诺号宇宙飞船一样致力的使命，自30多年前旅行者2号飞越以来，外行星没有接待过任何访客。

因此，为建立一个这些行星内部的了解我们必须依靠各种间接线索像它们的磁场、地表大气层特征的观测以及在它们的卫星轨道中的微妙变化。几十年来，太阳系形成的模型专制了太阳系的外部领域被水和氨冰一样分子统治。因此，自然的这些化合物会构成天王星和海王星的大部分，因此它们的“冰巨星”外号。

但一项新的接受《天文学与天体物理学》杂志发表的预印本研究采用了完全不同的方法。不是尝试从可能的缺陷和偏见的假设来建立一个行星内部的物理模型，而是作者生成了一系列天王星和海王星内部内容的随机模型。然后，他们将这些随机模型与大量观测数据比较并建立了一个与观测兼容的所有模型的数据库。

这些模型产生了一些预期的结果。每颗行星是不到四分之一的氢和氦，这与来自太阳系形成模型的预测和观测到的行星的密度匹配。这些模型还创建了导电物质的层，这能解释天王星和海王星的磁场。

左边是来自美国宇航局哈勃太空望远镜的海王星的增强彩色图像。右边是结合有美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜数据的该图像。代表极光活动的青色斑点和白云是来自韦伯的近红外光谱仪（NIRSpec）的数据，叠加在来自哈勃3号广角相机的这颗行星的完整图像之上。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Heidi Hammel (AURA), Henrik Melin (Northumbria University), Leigh Fletcher (University of Leicester), Stefanie Milam (NASA-GSFC))

但这种不可知论的方法确实产生了一个重大的惊奇：我们可能没有任何天王星和海王星的内部真的看起来什么一样的想法。

例如，天王星的岩石对水比例广大的变化，从一个0.04的低点这意味着这颗行星几乎完全是水到多达3.92这是完全相反的的任何地方。海王星是稍好一些理解，但它仍然可能有从比岩石多达五倍的水到比水多达两倍的岩石的任何地方。

如果是这种情况，那么“冰巨星” 对这些行星可能是错的名称。它们的大部分体积可能是以岩石的形式，潜在的给它们甚至比木星或土星更多的岩石物质，即便海王星和天王星比这两颗气态巨星远更小。

如果这一想法成立，它可能挑战现有的太阳系形成模型，因为我们将不得不弄清楚一种让足够的岩石物质进入外太阳系让它积累在这些行星上的方法。

只有一个致力的天王星或海王星使命可以解决这些问题，因为我们需要来自一个轨道飞行器的高质量数据来充分了解什么正在发生。