研究人员对太阳系最外侧行星的内部结构曾提出过各种各样的设想。一项最新研究提出，长期被归类为“冰巨星”的天王星和海王星内部可能存在熔融岩石构成的“海洋”。近日，相关研究成果公布于预印本平台arXiv。

天王星内部可能充满了熔融的岩石岩浆，而非水冰。图片来源：NASA

天王星和海王星最初被称为冰巨星，是因为它们的轨道位于太阳系所谓冰线之外：在该线之外，水、氨、一氧化碳和其他挥发性分子以固态而非气态存在。如果太阳系早期该区域富含冰冻的水，那么天王星和海王星的内部可能主要由水构成，并在行星引力下被压缩成一种炽热的“超临界”混合物。

瑞士苏黎世大学的行星科学家Ravit Helled表示，冰巨星之类的术语“有点误导性”，“我们真的不知道这些行星是由什么构成的”。 

对天王星和海王星的唯一近距离观测是在40年前美国国家航空航天局（NASA）“旅行者2号”任务间进行的，观测数据无法证实这一推测。最近，对冥王星和海王星轨道外其他小型天体的研究表明，它们内部所含的“冰”——水和氨等化合物的超临界混合物，远少于科学家的预期，最多仅占这些天体岩石含量的一半。

美国加州大学圣克鲁兹分校的行星天体物理学家Jonathan Fortney表示，证明天王星和海王星由冰构成的证据“全是间接的”。“人们心里一直都有这种想法：这些行星的构成可能比想象的要复杂得多。”

了解太阳系最外层行星的构成，或许能揭示太阳系早期及最外缘区域曾存在哪些物质，并提供关于太阳系外世界的线索。Helled表示，比海王星略小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，但我们却不知道它们由什么构成。”

美国加州大学洛杉矶分校的行星科学家Edward Young说，当他将比海王星略小的行星“亚海王星”建模为拥有铁核、岩石幔和气态氢包层时，这些物质开始混合，降低了岩石的熔点，从而形成了由熔融岩浆构成的世界。

由于亚海王星围绕其宿主恒星公转的轨道比天王星和海王星的更近，因此，Young和同事调整了模型，使其与观测到的天王星和海王星的引力和密度相匹配。模拟结果显示，由此产生的星球拥有岩浆洋而并不需要冰。这种岩浆与地球上火山喷出的岩浆完全不同，它是在极端压力下封存的流体，其中溶解了大量的氢和少量的氦。在行星厚重且富含氢的大气层的隔绝下，这种混合物可以保持高温达数十亿年之久。

Young说，这种对天王星和海王星的构想，实质上是“对其天体物理学和形成环境的重新思考”，其中外行星盘中的冰含量可能远低于以往估计。

Young的理论并非个例。美国普林斯顿大学的博士生Roberto Tejada Arevalo对海王星和天王星的内部进行了建模，以解释为什么海王星比天王星释放了更多的内部热量。他发现，一种混合了水、氨、甲烷和氦的超临界岩浆内部结构，可以与这些外行星的热测量数据和其他观测属性相吻合。

以色列理工学院的行星科学家Uri Malamud认为，这些行星的内部可能仍然富含冰——但主要是甲烷冰，而非水冰。当他和同事改变早期太阳系中化学构建块的数量并模拟数十万个类海王星行星的形成过程时，发现当大量煤烟与氢基大气混合，模拟的结果在半径和质量上最接近天王星和海王星。碳和氢反应生成甲烷，最终以液态存在于行星内部。由于行星内部物质难以充分混合，因此未形成岩浆洋，导致岩石呈分层状分布。“这些只是关于可能情况的不同设想。”Malamud说。

荷兰莱顿大学的博士生Vanesa Ramírez通过建模发现，天王星和海王星的岩石成分应超过60%。但最近利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列望远镜对天王星进行的观测显示，其一氧化碳含量很高，表明其内部充斥着这种气体。Ramírez表示，许多不同的内部结构都可能解释这一观测结果。“我们仍在探索这些行星。”

研究人员表示，解开这一谜团的唯一方法就是前往这些天体，近距离测量它们的引力、磁场和大气层。事实上，在2023年美国国家科学院发布的优先事项十年调查中，行星科学家将针对天王星的轨道器与探测器任务列在了愿望清单之首。“我们确实需要一项旗舰任务把所有的拼图拼起来。”Helled说。

相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.18219