天王星和海王星內(nèi)部或比想象中更“硬核”

瑞士蘇黎世大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最新提出，太陽(yáng)系中被歸類(lèi)為“冰巨行星”的天王星和海王星，內(nèi)部組成可能遠(yuǎn)沒(méi)有傳統(tǒng)認(rèn)知中那樣以冰為主，反而有可能含有比預(yù)期多得多的巖石成分。 研究并未簡(jiǎn)單宣稱(chēng)兩顆行星一定是“富水”或“富巖”，而是強(qiáng)調(diào)過(guò)去“必須高度富冰才能解釋觀(guān)測(cè)”的前提本身并非唯一解。

這一觀(guān)點(diǎn)也得到另一類(lèi)證據(jù)的呼應(yīng)——一顆矮行星被發(fā)現(xiàn)主要由巖石構(gòu)成，進(jìn)一步動(dòng)搖了“外太陽(yáng)系大型天體必然以冰為主”的既有框架。

研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自蘇黎世大學(xué)（UZH），通過(guò)一種新的行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模方法，重新審視了天王星和海王星的內(nèi)部構(gòu)成。 研究人員指出，將它們簡(jiǎn)單歸入“冰巨行星”類(lèi)別其實(shí)過(guò)于粗糙，目前人類(lèi)對(duì)這兩顆行星仍知之甚少。 以往基于物理的模型往往依賴(lài)大量先驗(yàn)假設(shè)，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t過(guò)于簡(jiǎn)化，難以同時(shí)兼顧物理一致性與模型“中立性”。

為此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套結(jié)合物理與經(jīng)驗(yàn)方法的建模框架：首先為每顆行星隨機(jī)生成一條內(nèi)部密度分布曲線(xiàn)，然后計(jì)算與其對(duì)應(yīng)的行星引力場(chǎng)，并與實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。 這一過(guò)程會(huì)反復(fù)迭代多次，從中篩選出既滿(mǎn)足觀(guān)測(cè)約束、又在物理上自洽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案。 這種“無(wú)偏見(jiàn)”模型大幅放寬了對(duì)行星必須“高度富冰”的預(yù)設(shè)，使更廣泛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組合變得可行。

在這一框架下，天王星和海王星的內(nèi)部不再被限定為“冰主導(dǎo)”，它們同樣可以擁有大量巖石，只要整體質(zhì)量、半徑和引力場(chǎng)等關(guān)鍵觀(guān)測(cè)量能夠被解釋。 項(xiàng)目發(fā)起人、蘇黎世大學(xué)教授拉維特·赫萊德指出，早在近15年前他們就提出過(guò)類(lèi)似可能性，如今終于有了完備的數(shù)值工具來(lái)系統(tǒng)性驗(yàn)證這一設(shè)想。 結(jié)果顯示，在不同模型假設(shè)下，天王星和海王星既可以是“富水”的，也可以是“富巖”的，目前數(shù)據(jù)不足以在二者之間作出明確區(qū)分。

新模型還為兩顆行星詭異的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)提供了新的線(xiàn)索。 與具有明確南北磁極的地球不同，天王星和海王星的磁場(chǎng)呈現(xiàn)多極、偏移且?guī)缀涡螒B(tài)異常的特征。 研究指出，它們內(nèi)部存在所謂“離子水”層，這類(lèi)在極端高壓高溫條件下呈離子態(tài)的水，可以在特定深度驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)（磁流體發(fā)電），從而自然產(chǎn)生非偶極、幾何復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。 模型還顯示，天王星的磁場(chǎng)源區(qū)比海王星更深，這一點(diǎn)有助于解釋兩者磁場(chǎng)性質(zhì)上的差異。

盡管如此，研究人員也強(qiáng)調(diào)，目前對(duì)于行星內(nèi)部在極端壓強(qiáng)和溫度條件下的物質(zhì)行為，物理學(xué)界仍缺乏足夠精確的認(rèn)知，這為模型帶來(lái)了不小的不確定性。 首席作者、博士生盧卡·莫爾夫表示，后續(xù)將通過(guò)更精細(xì)的物態(tài)方程和更完備的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。 即便存在這些局限，該工作依然為理解天王星和海王星內(nèi)部提供了新的情景設(shè)想，并促使學(xué)界重新審視長(zhǎng)期沿用的“冰巨行星”分類(lèi)與成分假設(shè)。

論文作者指出，在現(xiàn)有觀(guān)測(cè)精度下，天王星和海王星在理論上既可以被視為“巖石巨行星”，也可以依舊歸類(lèi)為“冰巨行星”，關(guān)鍵差別取決于具體的模型假設(shè)。 目前可用的數(shù)據(jù)不足以區(qū)分哪一種內(nèi)部構(gòu)造更接近真實(shí)，這也凸顯出未來(lái)專(zhuān)門(mén)深空探測(cè)任務(wù)的必要性。 研究者呼吁，應(yīng)盡快規(guī)劃面向天王星和海王星的專(zhuān)門(mén)探測(cè)任務(wù)，以獲取更精確的引力場(chǎng)、磁場(chǎng)以及大氣和內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，真正揭示這兩顆外太陽(yáng)系巨行星的本來(lái)面目。 相關(guān)成果已于2025年12月發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上。

編譯自/ScitechDaily