天王星和海王星內部或比想象中更“硬核”

瑞士蘇黎世大學研究團隊最新提出，太陽系中被歸類為“冰巨行星”的天王星和海王星，內部組成可能遠沒有傳統認知中那樣以冰為主，反而有可能含有比預期多得多的巖石成分。 研究并未簡單宣稱兩顆行星一定是“富水”或“富巖”，而是強調過去“必須高度富冰才能解釋觀測”的前提本身并非唯一解。

這一觀點也得到另一類證據的呼應——一顆矮行星被發現主要由巖石構成，進一步動搖了“外太陽系大型天體必然以冰為主”的既有框架。

研究團隊來自蘇黎世大學（UZH），通過一種新的行星內部結構建模方法，重新審視了天王星和海王星的內部構成。 研究人員指出，將它們簡單歸入“冰巨行星”類別其實過于粗糙，目前人類對這兩顆行星仍知之甚少。 以往基于物理的模型往往依賴大量先驗假設，而經驗模型則過于簡化，難以同時兼顧物理一致性與模型“中立性”。

為此，團隊開發了一套結合物理與經驗方法的建模框架：首先為每顆行星隨機生成一條內部密度分布曲線，然后計算與其對應的行星引力場，并與實際觀測數據進行比對。 這一過程會反復迭代多次，從中篩選出既滿足觀測約束、又在物理上自洽的內部結構方案。 這種“無偏見”模型大幅放寬了對行星必須“高度富冰”的預設，使更廣泛的內部結構組合變得可行。

在這一框架下，天王星和海王星的內部不再被限定為“冰主導”，它們同樣可以擁有大量巖石，只要整體質量、半徑和引力場等關鍵觀測量能夠被解釋。 項目發起人、蘇黎世大學教授拉維特·赫萊德指出，早在近15年前他們就提出過類似可能性，如今終于有了完備的數值工具來系統性驗證這一設想。 結果顯示，在不同模型假設下，天王星和海王星既可以是“富水”的，也可以是“富巖”的，目前數據不足以在二者之間作出明確區分。

新模型還為兩顆行星詭異的磁場結構提供了新的線索。 與具有明確南北磁極的地球不同，天王星和海王星的磁場呈現多極、偏移且幾何形態異常的特征。 研究指出，它們內部存在所謂“離子水”層，這類在極端高壓高溫條件下呈離子態的水，可以在特定深度驅動磁場發電機（磁流體發電），從而自然產生非偶極、幾何復雜的磁場結構。 模型還顯示，天王星的磁場源區比海王星更深，這一點有助于解釋兩者磁場性質上的差異。

盡管如此，研究人員也強調，目前對于行星內部在極端壓強和溫度條件下的物質行為，物理學界仍缺乏足夠精確的認知，這為模型帶來了不小的不確定性。 首席作者、博士生盧卡·莫爾夫表示，后續將通過更精細的物態方程和更完備的實驗與數值結果，進一步優化這些內部結構模型。 即便存在這些局限，該工作依然為理解天王星和海王星內部提供了新的情景設想，并促使學界重新審視長期沿用的“冰巨行星”分類與成分假設。

論文作者指出，在現有觀測精度下，天王星和海王星在理論上既可以被視為“巖石巨行星”，也可以依舊歸類為“冰巨行星”，關鍵差別取決于具體的模型假設。 目前可用的數據不足以區分哪一種內部構造更接近真實，這也凸顯出未來專門深空探測任務的必要性。 研究者呼吁，應盡快規劃面向天王星和海王星的專門探測任務，以獲取更精確的引力場、磁場以及大氣和內部結構數據，真正揭示這兩顆外太陽系巨行星的本來面目。 相關成果已于2025年12月發表在《天文學與天體物理學》期刊上。

編譯自/ScitechDaily