天王星和海王星常被当作一对“近双胞胎”来描述，但一项新研究给出的判断是：两者的化学组成，乃至可能的历史，差异比预想中更大。
“天王星和海王星今天看起来像双胞胎，但它们的化学组成告诉我们，它们更像是历史截然不同的表亲。”西南研究院（Southwest Research Institute）研究员奥利维耶·穆西斯（Olivier Mousis）博士说。
他还表示，两颗行星的大气成分可能与它们形成时原行星盘中不同区域有关，“如果真是这样，它们的相似就成了一种值得注意的巧合”。
问题在于，人类对这两颗冰巨星的实地了解非常有限。它们只被造访过一次——20世纪80年代美国航空航天局（NASA）的旅行者2号。它们深处的成分，在很大程度上仍是未知。
既然无法直接取样，研究团队选择了一条间接路径：用上层对流层中探测到的一氧化碳作为“探针”。
按研究中的解释，这种气体被认为形成于行星深处，在那里与水在化学上相关联，随后通过垂直混合被带到上层。对这整个过程建模，就可以反推下方究竟有多少氧。
“我们无法直接接触天王星和海王星的大气深处，但化学示踪物让我们能探测可见云层之下隐藏的条件。”穆西斯说，“研究一氧化碳特别有用，因为它在对流层上层丰度可观。”“利用这些数据，我们可以模拟原行星盘的化学演化以及其中物质的起源。”
具体到数据，天王星用的是阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的新鲜一氧化碳测量值，团队给出的数字约为5.6 ppb（十亿分之一）；海王星的水平则高出约两个数量级。
当允许垂直混合随纬度变化时，研究人员估算：天王星的氧氢比是太阳的62到177倍，海王星则是太阳的222到342倍。
他们还估算了碳氧比：天王星约为0.06到0.52，海王星约为0.02到0.12。
接下来是关键一步——把这些比值与太阳原行星盘的模型做对照。天王星的区间上限接近太阳的数值，海王星则明显更低。
由此得出的推测是：海王星的“建材”可能形成于更靠近太阳的水冰线附近；而天王星偏低的数值，则可能与在甲烷冰线以内形成的物质相符。
“海王星的化学组成很难与‘它就在今天所在的位置形成、和天王星取自同一批宇宙物质’这一想法相协调。”穆西斯说，“相反，我们的模型让我们相信，它的建材经历了漫长的旅程，才到达海王星能够吸积它们的地方。”“简而言之，两个表面上相似的世界，可能通过两条非常不同的演化路径，抵达了今天的位置与形态。”
需要说明的是，这些结论建立在化学示踪与模型反推之上，而非对两颗行星大气的直接测量。穆西斯也明确指出了这一边界：“由于缺乏对天王星和海王星大气的原位探测，我们对它们的成分、内部和形成过程的理解，在根本上仍是有限的。”
不过，这项研究的意义被作者认为超出了这两颗行星本身，甚至超出太阳系。“与天王星和海王星大小相当的行星在别的恒星周围很常见，这正是天王星和海王星成为理解银河系中行星如何形成与演化的关键基准的原因，也恰恰是NASA计划中的天王星轨道器与探测器任务如此重要的原因——该任务预计在未来十年内发射。”穆西斯说。
相关结果本周发表于《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）期刊。
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