天王星和海王星有可能是岩质行星！

啊卜

视频版↑  文字版↓你敢信，天王星和海王星可能并不是“冰巨星”，而是“岩石巨星”！
我们知道，咱太阳系里一共有八颗大行星：水金地火木土星，还有天王海王星。其中水、金、地、火这四个小家伙属于岩质行星；而木星、土星、天王星和海王星，它们四个属于气态巨行星。注意：称呼它们为“气态”，可不是说构成它们的都是气体，而是这些行星没有明确的表面。因为它们的大气层非常非常厚，在外层它还主要是气态，但到了内层，尤其是最下面，那里的气压会大到把氢气液化，甚至是变成超临界流体。也就是说，气态行星其实更像是一个从气体平滑过渡到液体和超临界流体的连续体。
那同样是气态行星，为什么天王星和海王星又会被细分为冰巨星呢？难道因为它俩更冷吗？
是……也不是。相较于木星、土星，天王星和海王星因为离太阳更远，表面温度确实更低，但是“冰巨星”的“冰”并不是用来形容温度低，而是它们上面确实有“冰”，而且主要是“冰”。但是注意，这里说的冰，不是我们平时说的水冰，而是包括水、甲烷、氨等在内的一系列化合物。没错，不像木星、土星主要由氢、氦构成，天王星和海王星的大部分物质其实是“冰”。虽然冰巨星距离太阳很远，这些“冰”可以真的凝结成固态，但是在行星高压的内部，它们更多还是以液态的形式存在。
以上这些知识想必大家都不陌生，几乎所有的教科书都是这么写的。但是最近，一篇即将发表在《天文学与天体物理学》杂志的文章中，研究人员提出了一种观点：天王星和海王星被划分为冰巨星，这种分类方法可能是错的！
怎么回事呢？这就要说到我们是如何知晓行星内部结构的。
经常有人在评论区说：“科学家连地球都还没搞清楚，就说其他星球内部什么什么样，肯定不靠谱！”你看这话说的……特别有道理。确实，迄今为止人类连地壳都没钻透，更别说内部了，那科学家们是怎么知道这些行星的内部都长什么样呢？

— 如何知晓内部结构 —

研究天体的内部结构，目前主要有两种方法。
第一种是基于理论模型。这种方法本质上是通过建立复杂的数学方程来模拟行星内部的物理状态。科学家会将已知的物理定律，比如万有引力、流体静力平衡方程、热力学定律等，转化为数学表达式，然后构建一个完整的模型来描述行星内部情况。具体来说，科学家会基于行星的质量、体积以及自转等基本参数，通过求解方程组来计算行星内部每一点的密度、温度、压力和化学成分。
这种方法的优势在于其理论基础的可靠性，毕竟，物理定律在整个宇宙中是普适的，只要模型正确，计算精确，那就能得到符合物理规律的结果。但是，这种方法也有明显的弊端：就是为了能让方程可解，往往需要引入一系列的假设，简化问题。比如，往往会假设行星内部是球对称的；物质是均匀混合的；物理参数是恒定的等等等等。这些假设虽然简化了计算，但也会让结果与实际情况产生偏差，就像经典的“真空中的球形鸡”。
另一种方法是基于观测数据。这种方法主要通过分析行星的各种数据，来反推它的内部结构。比如通过测量行星对周围天体的引力影响，可以推断出它的内部质量分布；通过分析磁场的形态和强度，可以了解行星内部导电物质的分布；通过研究自转速率和扁率，可以获得行星内部物质刚性的信息。
这种方法的优势在于它的直接性和客观性，因为所有结论都是建立在实际观测的基础上，避免了一些主观假设的影响。当然，它也有自己的弊端：就是数据的准确性问题。很多遥远天体的数据很难测得，即使测到了也很难测准，有时候不同观测数据之间甚至还会出现矛盾。
两种方法可以说各有优劣，人们往往会把两种方法的结果相互印证。对于木星和土星还好说，因为它俩离我们相对近一些，探测器去的也比较多，加上主要由氢氦构成，成分比较单一，所以对于这两颗行星的内部结构，相对来说还是比较明确的。但是对于天王星和海王星来说，目前我们了解的就很有限了，赋予它们“冰巨星”这个身份更多只是我们觉得这种概率比较大而已。
鉴于此，这次研究人员把两种方法结合了起来，重新针对天王星和海王星的内部结构进行了研究。他们先是基于理论，用计算机随机生成了很多种可能性，然后通过迭代算法从中找出能够符合观测数据的。这么做的好处是在避免人为偏见的同时，让计算机从较为准确的数据中找到尽可能多的可能性。
结果怎么样呢？可以说让人大吃一惊。人们发现，构成天王星和海王星的主要成分，除了“冰”这种可能性外，竟然还有岩石的可能！

— 岩石巨星 —

具体来说，对于天王星，它的岩石和“水”的比例范围非常广，从0.04一直到3.92。也就是说，在某些符合条件的模型里，天王星内部岩石的质量可能是“水”的4倍！海王星相对好一些，这个比例在0.2~1.78，虽然没有天王星那么夸张，但也存在岩石比“水”多的可能性。这么来看，我们一直以为的冰巨星，其实可能更偏岩质行星。
这个发现有什么意义？
首先，它改变了我们对太阳系形成的理解。传统太阳系形成理论告诉我们，行星是由原始星云里的物质凝聚而成的。离太阳越近的地方温度越高，只有岩石和金属能够凝聚，于是便形成了水、金、地、火这样的岩质行星。而离太阳较远的地方温度较低，此时氢、氦以及水、甲烷、氨等化合物能够凝聚，于是便形成了木星、土星、天王星和海王星这些气态巨行星。但是如果天王星和海王星真的主要由岩石构成的话，那先前的太阳系形成理论就得重新考虑了。毕竟离太阳那么远的地方，“冰”的总量通常要比岩石多得多，这么大的岩质行星到底是怎么形成的呢？
其次，这个结果还会对系外行星的分类带来影响。有一类被称为“迷你海王星”的行星，虽然太阳系内没有，但在太阳系外这种行星非常常见。先前它们很多被认为是被水覆盖的海洋星球，但上回“烟灰行星”那期里说过，这些星球实际上可能含有大量的难熔有机碳。所以，如果我们的海王星真的是个“岩石巨星”的话，那么那些“迷你海王星”可能更像是一种岩质的大号“超级地球”。
虽然这个发现让人振奋，但不少科学家仍持谨慎态度。虽然两种模型都符合目前的观测数据，但是孰真孰假还不好说。另外，行星的内部结构可能比我们想象的更复杂，它们也有可能既不是纯的“冰巨星”，也不是纯的“岩石巨星”，而是介于两者之间的混合结构。总之，想要确认天王星和海王星内部到底什么样，终究离不开更多更精确的观测数据。
好消息是，NASA正在计划一项名为“天王星轨道器和探测器（Uranus Orbiter and Probe, UOP）”的太空任务，目标是对天王星进行前所未有的详细探测。
这将是自1986年“旅行者2号”飞掠天王星以来，人类再次近距离探索这颗神秘的冰巨星。该计划原定于2031年发射，预计2044年抵达天王星。不过就目前NASA的这个情况来看，结果可能并不乐观。

[1] Luca Morf, Ravit Helled. Icy or Rocky? Convective or Stable? New interior models of Uranus and Neptune. arXiv preprint arXiv:2510.00175. (2025)

广昌白莲、小钜

原来冰巨星是“乌龙”，岩质才是真身！

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原来冰巨星是“乌龙”，岩质才是真身！