行星科學家提出了天王星和海王星表面下的另一種理論 _行星

冰巨星天王星和海王星的內部結構模型有兩個不同的中間層：一個是上層富含水的對流層，在那里產生了無序的磁場，另一個是下層非對流的富含碳氫化合物的層。新的計算機模擬表明，冰物質在高壓和高溫下自然分離成這兩層。圖片來源：加州大學伯克利分校Burkhard Milizer
據加州大學伯克利分校：鉆石雨？超離子水？這只是行星科學家對天王星和海王星厚厚的藍色氫氦大氣層下的兩個提議，天王星和海王星是我們太陽系獨特但表面平淡的冰巨星。
加州大學伯克利分校的一位行星科學家現在提出了一種替代理論——這兩顆行星的內部都是分層的，這兩層就像油和水一樣，不會混合。這種配置巧妙地解釋了行星的異常磁?。?并暗示了早期的內部理論不太可能是正確的。
在發表在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文中，Burkhard Miltizer認為，云層之下有一片深海，而云層之下則是一種高度壓縮的碳、氮和氫流體。
計算機模擬表明，在行星內部的溫度和壓力下，水（H2O）、甲烷（CH3）和氨（NH3）的組合會自然分離成兩層，主要是因為氫氣會從構成大部分深部內部的甲烷和氨中擠出。
這些不混溶的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號任務對我們太陽系冰巨星的驚人發現之一。
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，我們現在有了一個很好的理論，為什么天王星和海王星的磁場真的不同，它與地球、木星和土星非常不同。” 。“我們以前不知道這一點。這就像石油和水一樣，只是石油會因為氫氣的損失而下降。”
米利策說，如果其他恒星系統的成分與我們的相似，那么這些恒星周圍的冰巨星很可能具有相似的內部結構。天王星和海王星大小的行星，即所謂的亞海王星行星，是迄今為止發現的最常見的系外行星之一。
對流導致磁場
當一顆行星從其表面向下冷卻時，冷而致密的物質會下沉，而較熱的流體團會像沸水一樣上升——這一過程稱為對流。如果內部是導電的，一層厚厚的對流材料會產生類似于條形磁鐵的偶極磁場。
地球的偶極場由其液態外鐵芯產生，產生從北極到南極的環形磁場，這就是指南針指向兩極的原因。
但旅行者2號發現，這兩顆冰巨星都沒有這樣的偶極場，只有無序的磁場。這意味著行星內部深處的厚層中沒有物質的對流運動。
為了解釋這些觀測結果，兩個獨立的研究小組在20多年前提出，行星必須有不能混合的層，從而防止大規模對流和全球偶極磁場。然而，其中一層的對流可能會產生無序的磁場。但這兩個小組都無法解釋這些非混合層是由什么組成的。
十年前，米利澤反復嘗試解決這個問題，使用計算機模擬大約100個原子，碳、氧、氮和氫的比例反映了早期太陽系中已知的元素組成。
在行星內部預測的壓力和溫度下——分別是地球大氣壓的340萬倍和4750開爾文（約8000°F）——他無法找到形成層的方法。
然而，去年，在機器學習的幫助下，他能夠運行一個模擬540個原子行為的計算機模型，令他驚訝的是，他發現當原子被加熱和壓縮時，層會自然形成。
他說：“有一天，我看著模型，水已經從碳和氮中分離出來。10年前我做不到的事情現在正在發生。” 。“我想，‘哇！現在我知道為什么會形成這些層了：一層富含水，另一層富含碳，在天王星和海王星中，下面是富含碳的系統。重的部分留在底部，輕的部分留在頂部，它不能產生任何對流。’”
他補充道：“如果沒有一個龐大的原子系統，我就無法發現這一點，而10年前我無法模擬這個龐大的系統。” 。
他說，擠出的氫氣量隨著壓力和深度的增加而增加，形成穩定分層的碳氮氫層，幾乎就像塑料聚合物一樣。雖然上層富水層可能會對流產生觀測到的無組織磁場，但深層分層富烴層則不能。
當他模擬天王星和海王星分層產生的重力時，重力場與旅行者2號近40年前測量的重力場相匹配。
他說：“如果你問我的同事，‘你認為天王星和海王星的磁場是什么？’他們可能會說， ‘好吧，也許是鉆石雨，但也許是我們稱之為超離子的水特性。’” 。“在我看來，這是不合理的。但如果我們將這種分離分為兩個單獨的層，這應該可以解釋它。”
米利策預測，天王星3000英里厚的大氣層下面有一層約5000英里厚的富水層，而在其下面還有一層約五千英里厚的富含碳氫化合物的層。它的巖石核心大約是水星的大小。
雖然海王星的質量比天王星大，但它的直徑更小，大氣層更?。?但同樣厚的富水富烴層。它的巖石核心比天王星稍大，大約相當于火星的大小。
他希望與能夠在極高溫度和壓力下進行實驗室實驗的同事合作，以測試在流體中是否形成了與原太陽系中發現的元素比例相同的層。
如果航天器上裝有多普勒成像儀來測量天王星的振動，美國國家航空航天局擬議的天王星任務也可以提供確認。米利策爾說，分層行星的振動頻率與對流行星不同。
他的下一個項目是使用他的計算模型來計算行星振動的差異。