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苏黎世大学的Luca Morf与Ravit Helled研究团队,构建了假设最少的行星模型以计算两颗行星的内部结构,结果显示除传统的“巨大冰行星”结论外,还能得到“质量50%以上为岩石的巨大岩石行星(Rock Giant)”这一结论。本次研究结果指出了传统行星模型的问题,表明需要探测器获取额外观测数据。

天王星和海王星的分类“巨大冰行星”是什么?

太阳系公转的8颗行星,根据主要成分物质分为“岩石行星”“巨大冰行星”“巨大气体行星”3类。这里的“岩石”“冰”“气体”是行星科学术语,与日常印象含义不同,先回顾这点。
行星科学中,岩石·冰·气体从“挥发度(汽化温度)”角度分类:岩石是高温下仍保持固体的难挥发性物质,金属也包含在内;气体仅指氢和氦(因稍受热就汽化);介于两者之间的是冰——日常指水的固态,但行星科学中是氨、甲烷、二氧化碳等“-170℃(100K)附近固化、更高温度易汽化的挥发性物质”总称,有时为避免误解用“水冰”表述。
综上,“巨大冰行星”是“以冰为主要成分的巨大行星”,太阳系中天王星和海王星属此类。最初这两颗行星与木星、土星同属(巨大)气体行星,但因望远镜性能提升、探测器接近观测、行星形成理论研究、高压下物质行为理解等进展,发现它们以气体为主的假设不合理,矛盾最少的模型便是“以冰为主的巨大冰行星”分类。

巨大岩石行星的可能性?

苏黎世大学团队指出:传统行星模型基于大量假设,假设需逐一验证,多假设模型易产生极端结果。因此团队从“最小假设”构建模型:准备模型行星,随机设置内部物质密度,计算重力场并与观测数据对照,逐步修正为与实际密度、重力场偏差小的组成。
本次计算用氢、氦、水、岩石、铁5种物质,可在最小假设下算出内部构成,推定行星的组成、密度、温度、压力。团队得到天王星、海王星各4个模型,结果差异显著:既有与传统一致、水占比7~8成的模型,也有岩石占比5~6成、水占比2~3成(岩石多于冰)的模型——说明两颗行星即使是“巨大岩石行星”,也与传统观测结果不矛盾。
内部对流状态也差异极大:有的模型中对流层与稳定层交替,有的几乎全对流,两种分类(冰/岩石)中均存在此类情况(如稳定层占比大的巨大冰行星模型、全对流的巨大岩石行星模型)。这种内部动力学过程,会影响天王星、海王星“横倒且多极”的复杂磁场结构来源的识别。

促进天王星、海王星新探...

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