海王星和天王星的磁場怪象，竟然缺少偶極磁場，宇宙中行星擁有磁場，是普遍存在還是個別現象？

在太陽系的探索歷程中 諸多奇妙現象 不斷引發着科學家們的深入思考 就拿美國宇航局的旅行者 二號宇宙飛船來說 他在80年代末 奔赴太陽系的外圍區域時 便察覺到了一件頗爲奇怪的事情 天王星和海王星 這兩顆冰巨星行星 竟然缺乏所謂的偶集磁場 這與我們所處的地球 這樣的岩石行星 以及木星 土星 這兩顆氣態巨星 形成了極爲鮮明的對比 通常情況下 當靠近行星表面的緻密材料 逐漸冷卻時 它們往往會向行星表面下沉 而與此同時 行星內部附近的熱材料則會上升 這種下沉和上升材料的相互結合 便創造出了對流現象 進而促使行星內部的材料 發生運動與混合 要是一個行星的內部是電導體 那麼這些對流着的材料 通常被描述爲發電機 就會產生偶集磁場 想象一下 這就如同一個 有着南北兩極的磁鐵一般 正是通過這樣的過程 然而天王星和海王星 卻並未出現這一過程 這可讓科學家們好奇不已 究竟是爲什麼會這樣呢 在過去的20年裏 研究人員曾推測 這是因爲這些行星內部的物質層 無法實現混合 從而使得那些在像地球等行星上 能夠產生偶集磁場的對流運動停止了 儘管到最後研究人員都認同問題 確實出在這些行星內部的層分離上 但對於這些層的具體組成 卻一直沒有定論 不過 如今加州大學伯克利分校的行星科學家 Burkhard Millitzer 認爲自己已經找到了答案 Burkhard Millitzer認爲 他們現在有了一個很不錯的理論 可以用來解釋 爲什麼天王星和海王星的磁場與地球 木星和土星的磁場 存在着很大的差異 早在10年前 Burkhard Millitzer就曾嘗試運用計算機 來模擬這些行星的內部情況 他通過對大約100個碳 氧 氮和氫原子 這個比例剛好反映了 他們在太陽系早期階段的風度 將它們在特定壓力和溫度下進行模擬 然而 當時並沒有產生明顯的層 時間快進到去年 藉助機器學習的助力 Burkhard Millitzer得以模擬 具有類似比例的540個原子的行爲 他驚喜地發現 隨着原子被加熱和壓縮 層自然而然地形成了 他說道 有一天我看着模型 發現水已經與碳和硫氮分離了 10年前我做不到的事情 現在竟然實現了 Burkhard Millitzer解釋說 他當時就想了 現在我知道一個是富含水的 另一個是富含碳的層 爲什麼會形成了 在天王星和海王星中 位於下方的是富含碳的系統 重的部分留在底部 輕的部分留在底部 這樣就無法進行任何對流了 根據Burkhard Millitzer的模型預測 在天王星那剛剛超過 4800公里的大氣層之下 存在着一個極爲巨大的富含水的層 其深度可達8000公里以上 而在這個水層之下 還有一個8000公里後的 富含碳氫化合物的層 並且在航星的中心 有一個大約水星大小的岩石核心 儘管海王星的質量比天王星更大 但其總直徑卻更小 而且它的大氣層 相較於其冰巨星同伴也更薄 不過它很可能也擁有 類似的富含水和富含碳氫化合物的層 並且在其中心 有一個火星大小的岩石核心 Burkhard Millitzer 期望有朝一日能夠通過實驗室實驗 來對自己的假設進行測試 這些實驗將會盡可能地反映出 這些行星的內部條件 他還表示 前往天王星的任務 或許也能爲我們提供答案 該相關論文已於11月25日 發表在美國國家科學院院刊上 其實並非所有的行星都擁有磁場 就拿地球來說 它的一個顯著特徵便是擁有磁場 這一磁場形成了一個防護盾 能夠有效抵禦太陽噴射出的高能粒子 從而可以說 爲生命提供了一個更爲安全的成長環境 使得生命能夠發展成爲 如今我們所看到的複雜生物羣落 地球磁場最爲令人驚歎的表現之一 便是極光 那是在太陽活動高峯期間 出現在靠近南北兩極地區的 舞動着的彩色光幕 另外還有一個能夠表明 地球擁有磁場的跡象就是 無論你在地球上的哪個位置 指南針都會指向北方 那麼我們該如何判斷其他行星 或者太陽系內的天體 是否擁有磁場呢 又能否知曉遙遠的系外行星 是否擁有磁場呢 我們知道太陽系中的氣態巨星 木星和土星和冰巨星 天王星和海王星 都擁有較爲強大的內在磁場 然而對於類地行星和衛星而言 情況就變得更加複雜了 亞利桑那州立大學的行星科學家 Joseph G. O'Rourke指出 地球、水星和木星的衛星 伽尼米德 現在都擁有內在產生的磁場 而火星和地球的月亮 則有着古老的地殼岩石 這些岩石保存了它們早期歷史中 曾經存在過的磁場的殘餘 Joseph G. O'Rourke古稱說 是與地球的另一個鄰居金星 金星目前並沒有檢測到內在磁力 不過我們還沒有將儀器送到 足夠接近表面的地方 對於一個行星或衛星而言 要想存在磁場 其內部必須有大量的導電液體 處於運動狀態 要是這些材料停止了運動 或者沒有足夠的溫差來驅動行星 或衛星內部流體的對流 那麼流體就會移動得太慢 科學家們認爲 就金星明顯缺乏磁層的情況來看 存在着四種可能性 普遍接受的觀點是 金星有一個類似地球的核心 但冷卻得太慢 由於金星缺乏板塊構造 它的時間比地球冷卻得更滿 不過另一種可能性是 金星的時間完全固態 這就要求這個行星的核心 比地球的冷得多 Joseph G. O'Rourke覺得 這種情況不太可能 美國宇航局計劃在20世紀50年代 就已經能夠通過捕捉到 來自木星極光的無線電發射 來遠程探測到木星的磁場 科學家表示 磁場其實是瞭解行星的最佳方式之一 強大的磁場的存在能夠告訴科學家 該行星有一個大型的電導流體儲備 可以四處移動 發電機是將流體運動的能量 在內地行星中 金屬核心可以視爲發電機 就像今天的地球一樣 然而在極端的壓力和溫度下 液態硅酸鹽基本上是熔鹽 也是電導體 在木星和土星這樣的氣態巨星的內部深處 晶變成了金屬 這使得它們擁有強大的磁場 那麼系外行星是否有磁場呢 當談到系外行星 也就是太陽系外的行星時 行星科學家目前還沒有明確探測到 磁場的存在 不過Joseph G. O'Rourke認爲 天文學家已經在被稱爲 宗矮星和低質量m矮星的小恆星中 探測到了極光 這些極光源於磁場 科學家們認爲 下一代的儀器 將能夠從類似木星的系外行星中 探測到磁場 從類似地球的行星中探測到磁場 還在更遠的規劃中 但希望在未來幾十年內能夠實現 總的來說 我們可以直接觀測極光或輻射帶 或間接通過觀察行星磁場 與它們的母星的相互作用 目前 行星科學家們正在就磁場 是否總體上保護了行星的大氣層 這一問題展開辯論 一方面 磁場可以屏蔽大氣層 免受恆星風的影響 特別是在磁池道附近 另一方面 磁場可以將帶電粒子引導到極地區域 而許多導致大氣層逃逸的機制 並沒有受到磁場的強烈影響 O'Rourke認爲 地球已經維持了數十億年的磁場 和適宜居住的表面 火星在它的磁場消失時 至少 在我們的太陽系中 磁性與室居性是相關的 然而相關性不等於因果關係 隨着我們通過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測 獲得更多的系外行星樣本 行星科學家們將開始揭示 磁場與行星室居性之間的關係 也許 極光將會成爲我們 我們應該更仔細尋找生命跡象的第一個指標