天王星和海王星是“冰球”？

若能开启太阳系的边陲旅行，你将邂逅两颗特殊行星——它们大小介于岩质行星和气态巨行星之间。虽被称为“冰质巨行星”，但其环境却复杂至极。迄今为止，我们对天王星和海王星的认知仍十分有限。

人类仅通过航海家2号探测器在1986年和1989年分别飞掠探测过这两颗行星。借助176年一遇的罕见行星排列时机，该探测器在完成木星、土星探测后，顺访了天王星和海王星。目前人类对它们的了解主要来自这次短暂的飞掠以及地面观测。

NASA 正考虑展开前往天王星或海王星的新任务

由于与地球平均距离达27亿-43亿公里，天王星和海王星的探测难度极高。NASA正在筹划2030—2031年发射新探测器，但可能只能选择其中一颗作为目标。科学家希望探测器能像1995年伽利略号探测木星那样进入目标行星的大气层。

这两颗质量相当于地球14.5和17.1倍的行星仍充满谜团：天王星的内部热源异常微弱，其辐射热量几乎等于吸收的太阳热量；而海王星的卫星海卫一可能是被捕获的柯伊伯带天体，对其研究有助于了解太阳系边缘天体的演化。

“冰质巨行星”的名称容易引起误解——它们实际由大量氧、碳、氮等重元素组成。在行星形成初期，这些元素可能以冰的形式存在。与之不同，气态巨行星（木星、土星）主要由原始太阳星云中的氢和氦构成。

冰质巨行星生成于太阳系的外围

理论模型显示，两颗冰质巨行星可能含有以铁和镍为主的岩质核心，质量约为地球的0.5到3倍。核心外围可能包裹着甲烷、水和氨构成的超临界液态层——这正是“冰质行星”名称的由来。最外层大气则主要由氢气、氦气和甲烷混合而成。

但严格来说，天王星和海王星并不符合常规的“冰质”定义。在其内部，温度可达上千摄氏度，压力更是地球的10万倍，导致水和其他化合物形成既非固体也非液体的超离子态。在这种状态下，氧原子被锁定在晶格中，而氢原子却能自由移动，造就了独特的物质状态。

实验室研究表明，在类似条件下可能产生钻石雨。尽管科学家已能在实验室模拟该过程，但生成的钻石仅有纳米级。而在行星内部，这种过程可持续数百万年，可能形成体积更大的钻石晶体。

从组成来看，这两颗行星主要由高温高压下的流体物质构成。这与木星和土星截然不同——后两者几乎完全由氢和氦组成。现有理论认为，冰质巨行星形成于气态巨行星清空原始星盘物质之后，但仍需积累足够质量才能在岩质核心外维持气体包层。观测数据显示，这类行星在系外行星中确实较为普遍。

深入研究天王星和海王星不仅能增进我们对太阳系的认识，还将为系外冰质巨行星的研究提供重要参考。未来的探测任务极有可能带来一系列重大科学发现。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：白鹏 航天科技集团十一院 研究员