当天文学家把望远镜对准天王星,三次观测都捕获了同一个信号——一氧化碳。这种气体此前在天王星大气中几乎“失踪”,而它的邻居海王星却大量存在。这个差异让学界争论了几十年:天王星内部到底是岩石多还是冰多?现在,法国波尔多大学的 Thibault Cavalié 团队给出的答案是,天平明显倒向冰。

2022年至2024年间,Cavalié 和同事借助位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列(ALMA),对天王星进行了三次独立观测。他们在天王星的底层大气中检测到显著量的一氧化碳,这是天文学家第一次在该区域明确捕捉到这种分子。此前,天王星大气中的一氧化碳含量一直极低,以致部分研究者倾向于认为这颗行星的内部以岩石成分为主,与富含冰的海王星走的是完全不同的演化路径。

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一氧化碳在行星大气中的丰度,常被视作其深处水冰比例的“信使”。海王星因为拥有丰富的一氧化碳,早已被推定为内部含大量水冰。天王星的“一氧化碳赤字”则让“岩质内核”的假说占据了一段时间的上风。如果这一假说成立,就意味着这两颗外观相近的冰巨星实际上形成方式截然不同,甚至不应被归为同一类天体。Cavalié 的团队获得的信号,显然在撼动这一图景。

为了验证检测结果是否真的指向冰内核,研究团队构建了一系列模型,设定不同的岩石与冰的比例,试图复现观测到的一氧化碳浓度。只有那些假设内部富含水冰的模型,才能重现 ALMA 捕获的数据。研究人员由此推断,天王星深层很可能锁藏着比早先估计多得多的水冰。Cavalié 直言:“我们发现天王星更偏向冰巨星,而不是岩质巨星。这场争论现在结束了。”但他也补充,这一结论仍依赖于模型假设,需谨慎对待,只是团队的整体感觉确实如此。

除了底层大气,Cavalié 团队还在天王星的高层大气中探测到了一氧化碳。不过,这一来源很可能与内部无关。Cavalié 指出,高层大气中的一氧化碳更可能是几个世纪前彗星撞击天王星后遗留下来的成分,属于外部输入而非内部释放。这意味着,高层大气的数据不能用来推断行星深部结构,但底层大气的发现仍能提供关键约束。

不过,并非所有研究者都认为这次发现能够一锤定音。荷兰莱顿大学的 Vanesa Ramirez 提醒,尽管检测到一氧化碳是理解天王星深部结构的重要一步,但目前仍不清楚这些气体具体源自何处。她说:“解释大气中的元素丰度,需要对化学过程、混合机制以及内部结构做出假设,而这些对于天王星来说都还充满不确定性。”在模型层面,科学家们使用的模拟框架差异很大,同样的观测数据可以与多种岩冰比共存。Ramirez 的观点是,仅凭一氧化碳这一个指标,还不足以彻底分清天王星到底该被视作冰巨星还是岩质巨星。

Cavalié 团队的成果更像在漫长的争议清单上画了一个有力的记号,而非直接划掉了整个清单。过去几十年的模型与观测不断摇摆,如今的数据把天平往冰的方向狠狠压了一下,但要真正敲定天王星的内部蓝图,还需要更全面的成分探测和更精细的动力学模拟。无论最终分类标签如何修改,这次在太阳系第七行星上首次捕获的低层大气一氧化碳信号,已经为行星形成理论增加了重量级的新约束。