新研究表明，天王星和海王星并不是由我们想象的组成的

独孤一山隙

在这张詹姆斯·韦伯太空望远镜的照片中，天王星在其明亮的光环外壳内发光。（图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI）

据美国生活科学网站（Deepa Jain）：天文学家长期以来一直认为冰巨星天王星和海王星富含冷冻水。然而，一项新的研究表明，它们可能也有成吨的甲烷冰。

这些发现可能有助于解开这些冰世界是如何形成的谜题。

天王星和海王星的许多情况仍然未知。这些巨大的冰世界只有一个航天器访客，旅行者2号，它在20世纪80年代从它们身边飞过。因此，科学家们对这些冰巨星的成分只有一个模糊的概念——例如，它们含有大量的氧、碳和氢。

为了进一步了解天王星和海王星是由什么组成的，天文学家设计了与旅行者2号和地球望远镜测量到的物理性质相匹配的模型。许多模型假设这些行星有一个薄的氢和氦包层；压缩的超离子水和氨的下层；和一个中心岩石核心。（水是它们被贴上“冰巨人”标签的原因。）一些估计表明，天王星和海王星的水量可能是地球海洋的50000倍。

但这项新研究的作者表示，这些模型忽略了冰巨星的形成方式。当天王星和海王星从年轻太阳周围的尘埃云中结合时，它们吞噬或吸积了被称为星子的物体。该团队表示，这些星子类似于现在的彗星，如67P/Churyumov Gerasimenko，它们起源于柯伊伯带，这是海王星轨道外结冰天体的环形区域。



天王星可能充满了糊状的甲烷，但只有轨道飞行器任务才能证实这一点。（图片来源：美国国家航空航天局）

然而，与所谓的富含水的冰巨星不同，这些类似星子的物体中有很大一部分富含碳。那么，该研究的主要作者、以色列理工学院的行星科学家Uri Malamud说：“怎么可能用贫冰的积木形成一个冰巨人呢？”。

为了解决这个明显的悖论，马拉穆德和他的合著者建造了数十万个天王星和海王星内部的模型。他们使用的算法“开始为行星表面匹配合适的成分，然后逐渐深入行星的中心点。”他们考虑了几种化学物质，包括铁、水和天然气的主要成分甲烷。然后，他们试图确定哪个模型在半径和质量等特征上最像实际的冰巨星。

在他们建立的各种模型中，天文学家发现那些含有甲烷的模型符合他们的标准，甲烷要么呈固体块状，要么在一定压力下呈糊状，在氢氦包层和水层之间形成一层厚厚的层。在一些模型中，甲烷占地球质量的10%。

该团队于3月将尚未经过同行评审的结果发布到预印本服务器arXiv上。

这种甲烷是解决冰悖论的关键。研究人员说，当生长中的行星中的氢与行星吸积的星子中的碳发生化学反应时，可能会形成冰。这种反应发生在高温和超高压下——是我们在地球上经历的气压的数百万倍。这些正是科学家们认为在发展中的行星中存在的确切条件。

马拉穆德说，这些发现可以为这些鲜为人知的行星提供更深入的了解，尽管验证它们是否真的富含甲烷将是一项挑战。这将是美国国家航空航天局和其他航天机构提出的几项旨在探索天王星的任务之一的目标。