冰巨星：天王星和海王星

富含挥发物的外部巨行星，比木星和土星更小、更冷，具有极端的轴向倾斜和异常偏移的磁场。

Definition

冰巨星是指主要由水、氨和甲烷等较重的挥发性冰而非氢和氦组成的行星；在太阳系中，它们是天王星和海王星。

Scope

本主题涵盖天王星和海王星：它们的主要成分以水、氨和甲烷冰为主，而非岩石；它们的内部结构以及其中可能存在的超离子水等奇异物质状态；它们的大气、风和天气；以及它们高度倾斜、偏移、非偶极的磁场。本主题还提及天王星极端的轴向倾斜和海王星异常的内部热量，以及两者都只被旅行者2号探测器访问过一次的事实。

Core questions

• 冰巨星的内部结构和组成是什么？
• 为什么它们的磁场强烈倾斜、偏移且非偶极？
• 为什么海王星有强大的内部热量，而天王星似乎处于热平衡状态？
• 天王星是如何倾斜到侧面的？

Key theories

以冰为主的内部结构

冰巨星被认为由深层、炽热、导电的水、氨和甲烷流体层覆盖在岩石核心之上，其外部是氢氦大气层，这使它们有别于气态巨行星。

薄壳发电机理论

局限于相对较薄的外部导电层内的对流可以产生在天王星和海王星观测到的高度倾斜、偏移和多极磁场。

Mechanisms

在冰巨星的大气层之下，存在着由水和其他冰组成的致密流体，这些流体在压力下会导电；据认为，这一层有限壳内的对流产生了它们不寻常的磁场几何结构。内部可能存在超离子水，其中氧形成固体晶格，而氢则自由流动。

Clinical relevance

冰巨星代表了一种探索不足的行星类别，但它们可能是银河系中最常见的行星类型，这使得天王星和海王星成为解释海王星质量系外行星的关键参考。

History

天王星于1781年由威廉·赫歇尔通过望远镜发现，海王星则根据轨道扰动预测并于1846年被发现。关于这两颗行星的所有详细知识几乎都来自旅行者2号在1986年和1989年的两次飞掠，这些飞掠揭示了它们偏移的磁场、微弱的光环和主要卫星，并促使人们提出了未来专门任务的建议。

Debates

冰巨星到底有多“冰”？

由于旅行者号数据有限，天王星和海王星内部冰、岩石和气体的精确比例，以及它们的内部是分层还是混合的，都知之甚少。

Key figures

• Heidi Hammel
• Mark Hofstadter
• Tristan Guillot
• Jonathan Fortney

Seminal works

• guillot2005
• hofstadter2019

Frequently asked questions

为什么天王星是侧向倾斜的？

天王星的自转轴倾斜近98度，因此它基本上是沿着轨道滚动；主要的解释是其早期历史中发生了一次或多次巨大的撞击。

有航天器访问过天王星和海王星吗？

只有旅行者2号，它于1986年飞掠天王星，1989年飞掠海王星；目前还没有轨道飞行器被派往这两颗行星。