加州大學伯克利分校的最新研究為天王星和海王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了全新的視角，顯示出水和碳氫化合物的層狀結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)解釋了行星不尋常的磁場，并得到了模擬的支持，模擬顯示極端條件導(dǎo)致氫分離，從而穩(wěn)定了層狀結(jié)構(gòu)并抑制了對流。
天王星或海王星等冰巨行星的剖面圖。 一種新的理論認為，在稠密的大氣層下面有一層富含水的層（藍色），它與更深的高溫高壓碳、氮和氫層（琥珀色）分離。 壓力將氫從甲烷和氨分子中擠出，形成了無法與水層混合的分層碳氫化合物層，從而阻止了產(chǎn)生雙極磁場的對流。 圖片來源：《量子》雜志 Quanta 雜志
鉆石雨？ 超離子水？天王星和海王星是太陽系中神秘而又看似不起眼的冰雪巨行星，科學家們提出了這兩種觀點來解釋天王星和海王星稠密、偏藍的氫氦大氣層下隱藏著什么。
現(xiàn)在，加州大學伯克利分校的一位研究人員提出了一個新觀點。 他認為，這些行星的內(nèi)部由不同的層組成，就像油和水一樣，不會混合。 這種分層結(jié)構(gòu)為這些行星不尋常的磁場提供了令人信服的解釋，并對以前關(guān)于行星內(nèi)部組成的理論提出了挑戰(zhàn)。
布克哈德-米利策（Burkhard Militzer）在11月25日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文中指出，在云層之下是一片深邃的水海，在水海之下則是高度壓縮的碳、氮和氫流體。 計算機模擬顯示，在行星內(nèi)部的溫度和壓力下，水（H2O）、甲烷（CH3）和氨（NH3）會自然地分離成兩層，這主要是因為氫會從甲烷和氨中被擠壓出來，而甲烷和氨構(gòu)成了深層內(nèi)部的大部分。
這些不溶解層可以解釋為什么天王星和海王星都沒有像地球那樣的磁場。 這是 20 世紀 80 年代末旅行者 2 號探測器對太陽系冰巨行星的驚人發(fā)現(xiàn)之一。
加州大學伯克利分校地球與行星科學教授米利策說："我想說，我們現(xiàn)在有了一個很好的理論，天王星和海王星為什么有真正不同的磁場，而且與地球、木星和土星非常不同。我們以前并不知道這一點。 這就像油和水，只不過油會流到下面去，因為氫會流失。"
米利策說，如果其他恒星系統(tǒng)具有與我們類似的成分，那么這些恒星周圍的冰巨星很可能具有類似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 天王星和海王星大小的行星--所謂的海王星下行星--是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最常見的系外行星之一。
天王星內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖顯示了四個不同的層次：氫（淺藍色）、水（深藍色）、碳氫化合物（紅色）和巖芯（黃色）。 天王星的無序磁場源自水層。 這張照片還顯示了天王星軸相對于其軌道的極度傾斜，以及環(huán)繞該行星的一個微弱的物質(zhì)環(huán)。 資料來源：伯克利加州大學 Burkhard Militzer 和美國國家航空航天局
當行星從表面向下冷卻時，較冷和較稠密的物質(zhì)會下沉，而一團較熱的流體則會像沸水一樣上升--這個過程被稱為對流。 如果內(nèi)部是導(dǎo)電的，一層厚厚的對流物質(zhì)就會產(chǎn)生類似條形磁鐵的偶極磁場。 地球的偶極磁場由其液態(tài)外鐵芯產(chǎn)生，形成一個從北極環(huán)繞到南極的磁場，這也是指南針指向兩極的原因。
但是旅行者 2 號發(fā)現(xiàn)，兩顆冰雪巨行星都沒有這樣的偶極磁場，只有雜亂無章的磁場。 這意味著在行星內(nèi)部深處的厚層中沒有物質(zhì)的對流運動。
為了解釋這些觀測結(jié)果，兩個不同的研究小組在20多年前就提出，行星必須有不能混合的層，從而阻止大規(guī)模對流和全球偶極磁場。 然而，其中一個層中的對流可能會產(chǎn)生紊亂的磁場。 但這兩個小組都無法解釋這些非混合層是由什么構(gòu)成的。
十年前，米利策利用計算機模擬了大約100個原子，其中碳、氧、氮和氫的比例反映了早期太陽系中已知的元素組成，他反復(fù)嘗試解決這個問題。 在預(yù)測的行星內(nèi)部壓力和溫度下--分別是地球大氣壓力的340萬倍和4750開爾文（8000華氏度）--他找不到形成層的方法。
然而去年，在機器學習的幫助下，他運行了一個計算機模型，模擬了540個原子的行為。
"有一天，我看著模型，水已經(jīng)從碳和氮中分離出來。" 他說："10 年前我做不到的事情，現(xiàn)在都實現(xiàn)了，我想現(xiàn)在我知道為什么會形成這些層了： 在天王星和海王星中，富含碳的系統(tǒng)在下面。 重的部分停留在底部，輕的部分停留在頂部，無法進行任何對流。"
他補充說："如果沒有一個龐大的原子系統(tǒng)，我是無法發(fā)現(xiàn)這一點的，而這個龐大的系統(tǒng)我在十年前是無法模擬的。"
他說，擠出的氫量隨壓力和深度的增加而增加，形成一個穩(wěn)定的碳氮氫分層，幾乎就像塑料聚合物。 上層富含水的層可能會對流，從而產(chǎn)生觀測到的無序磁場，而較深的分層富含碳氫化合物的層則不會。
當他模擬天王星和海王星分層產(chǎn)生的重力時，重力場與旅行者 2 號近 40 年前測量到的重力場相吻合。
他說："如果你問我的同事，'你認為天王星和海王星的引力場是怎么形成的？從我的角度來看，這并不靠譜。 但是，如果我們把這種分離分成兩個不同的層次，那就可以解釋了。"
冰巨行星天王星和海王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型有兩個不同的中間層：上層是富含水的對流層，在這里會產(chǎn)生混亂的磁場；下層是不對流的富含碳氫化合物的層。 新的計算機模擬顯示，冰物質(zhì)在高壓和高溫下會自然分離成這兩層。 圖片來源：加州大學伯克利分校 Burkhard Militzer
根據(jù)米利策的預(yù)測，天王星厚達 3000 英里的大氣層下面有一層厚約 5000 英里的富水層，富水層下面還有一層厚約 5000 英里的富碳氫化合物層。 天王星的巖石內(nèi)核與水星大小相當。 雖然海王星的質(zhì)量比天王星大，但它的直徑卻比天王星小，大氣層較薄，但富含水和碳氫化合物的層同樣很厚。 它的巖心比天王星稍大，大約相當于火星的大小。
他希望與同事合作，通過實驗室實驗在極高的溫度和壓力下測試原太陽系中的元素比例是否會在流體中形成層。 擬議中的天王星NASA任務(wù)也可以證實這一點，如果飛船上有多普勒成像儀來測量行星的振動的話。 米利澤爾說，層狀行星的振動頻率與對流行星不同。 他的下一個項目是利用他的計算模型來計算行星振動的不同之處。
編譯自/scitechdaily
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