天王星与海王星的热力学主导内部模型

天王星和海王星的内部模型通常假设存在离散层，但只有在主要成分不互溶的情况下才会出现明显的界面。如果吸积过程有利于最不易挥发成分（也恰好是最致密的成分）在中心集中，就可能出现扩散界面；在这种结构中产生的成分梯度很可能会抑制对流。目前，有两方面的证据表明冰巨星内部可能存在氢-水不互溶性。第一方面来自将实验得到的氢-水临界曲线粗略外推至 $\sim 3$ GPa（Bali et al. 2013）。这些数据是在包含硅酸盐的非纯系统中获得的，尽管天王星和海王星也可能是“脏”的。当前的第一性原理模型存在分歧（Soubiran & Militzer 2015），尽管利用第一性原理量子力学对氢和水进行具有必要精度的建模十分困难。本文概述了冰巨星中氢-水不互溶性的第二个论据，该论据援引了关于引力场和磁场的推理。尽管尚无共识，本文探讨了不互溶的情形。应用由此产生的热力学约束，我们发现海王星模型中若包络包含相当大的水摩尔分数（相对于氢高达 $\chi \gtrsim 0.1$），即可满足观测结果。相比之下，天王星模型似乎要求 $\chi \lesssim 0.01$，这可能暗示着氢和水的完全分离。氢-水逐渐分离所释放的引力势能足以供应海王星当前的热流长达约十个太阳系寿命的时间。氢-水分离可能使海王星的冷却速率降低一个数量级；不同的氢-水分离状态可以解释天王星和海王星热流的差异。