天王星和海王星的海洋深达 5000 英里

长期以来，天王星和海王星隐藏的内部一直困扰着科学家们，他们试图了解这些遥远的冰巨星是如何形成和演化的。

过去的提议包括钻石雨从它们的核心落下的可能性，或者它们蓝色的外表下潜伏着超离子水。

每个想法都激发了人们的兴趣，但关于这些行星的磁场和内部结构的不寻常性质的问题仍然存在。

最近的工作提出了不同的观点。经过多年的研究和先进的计算机模拟，一种新的理论表明，随着压力的增加，天王星和海王星中的物质可能会分离成层。

加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）地球与行星科学教授布克哈德·米利策（Burkhard Militzer）提出了一个模型，该模型挑战了旧的观念，并借鉴了不混溶性原则——当物质拒绝混合时，如油和水。

分层内部和磁场

Militzer 认为，在这些行星深层发现的极端条件下，水（H₂O）、甲烷（CH₄）和氨（NH₃）等成分会以意想不到的方式表现。

“我想说，我们现在有一个很好的理论，说明为什么天王星和海王星的磁场真的不同，它与地球、木星和土星非常不同，”米利策解释说。

“这就像油和水，只是富氢层在上面，而较重的材料留在下面。”

他的发现也与 NASA 的旅行者 2 号在 1980 年代收集的磁场读数一致。天王星和海王星没有像地球那样整齐的偶极场，而是显示出杂乱无章的磁场。

Militzer 的模型提出，大气下的富水层可以移动到足以形成这些不规则场，而较深的富含碳氢化合物的层保持稳定并抵抗混合。

极端压力和新的模拟

Militzer 使用计算机模型模拟了在压力达到地球大气压 340 万倍和 8,000°F 左右温度下的条件。

十年前，他对 100 个原子进行了计算，但无法确认分层分离。

最近，他利用机器学习和更强大的计算能力，将这些模拟扩展到 540 个原子。

“有一天，我看了模型，发现水已经从碳和氮中分离出来，”他说。“我 10 年前做不到的事情现在正在发生。”

随着深度的增加，氢气从甲烷和氨中挤出，形成位于富水区下方的碳-氮-氢流体。

根据 Militzer 的重力计算，这种分层与旅行者 2 号在近 40 年前获得的读数相匹配。

在天王星 3,000 英里厚的大气层下，该模型指向一层 5,000 英里厚的富水流体。下面是一个厚度相似的富含碳氢化合物的层，末端是一个大约水星大小的岩石核心。

海王星遵循相同的布局，但大气层更稀薄，岩石核心略大，大约有火星那么大。

为什么这些都很重要？

与天王星和海王星相媲美的冰巨星似乎在其他恒星系统中很常见，它们通常被称为亚海王星系外行星。

“如果其他恒星系统与我们的星系具有相似的成分，那么这些恒星周围的冰巨星很可能具有相似的内部结构，”Militzer 指出。

他将这个模型视为解释太阳系附近地区之外各种行星磁场的一种方式。

Militzer 的目标是与实验物理学家合作，在实验室中测试这些概念。

通过以正确的比例重现水、甲烷和氨的极端条件，研究人员可以发现层是否自行形成。

他相信这项工作可以证实不混溶的行为，为这些深行星带的稳定性奠定了基础。

钻石雨很凉爽，但并不重要

关于钻石雨和超离子水的讨论曾经激发了人们的想象力，但 Militzer 的模拟对这些想法提出了质疑。

“如果你问我的同事，'你认为什么解释了天王星和海王星的磁场？'他们可能会说，'嗯，也许是这种钻石雨，但也许是我们称之为超离子的水特性，'”他说。

“从我的角度来看，这并不合理。但是，如果我们把这种分离分成两个独立的层次，那应该可以解释它。

即将到来的太空任务可能会对这个问题有更多了解。美国宇航局（NASA）提议的天王星之旅可以携带仪器，通过多普勒成像来测量的振动。

非混合内部的晃动方式与完全对流的内部不同。Militzer 计划使用他的计算模型来预测这些振动，从而提供一种新的方法来确认或反驳他的分层理论。

天王星和海王星的下一步是什么？

这种对天王星和海王星的看法为几个世纪以来对了解太阳系的追求增添了个人维度。

每项发现都建立在从望远镜到航天器的数据链之上，现在是高级模拟。

Militzer 十年的努力提供了一种方法，可以解释水和碳氢化合物流体如何沉降到这些冰巨星深处的不同带中。

他的发现提出了一种分层格式，可以解释它们奇数的磁场和引力测量。

该模型为设计实验、规划未来的探测器，甚至探索系外行星如何演化提供了一个框架。

通过确定两个不混溶层的存在——一个富含水，另一个由高度压缩的碳氢化合物组成——该理论标志着朝着解开天王星和海王星的秘密又迈出了一步，一次一个模拟。