天王星与海王星作为甲烷行星：由难熔星子产生冰巨星

天王星和海王星通常被视为冰巨星，并且通常假设它们除了含有太阳比例的氢和氦之外，还含有大约两倍于岩石的水。这一经典图像已成功用于构建其内部结构模型，并被理解为与其形成时期太阳星云的成分相符（Reynolds and Summers 1965; Podolak and Cameron 1974; Podolak and Reynolds 1984; Podolak et al. 1995; Nettelmann et al. 2013）。然而，水的主导地位最近受到质疑（Teanby et al. 2020; Helled and Fortney 2020; Podolak et al. 2022）。外太阳系的星子主要由难熔物质组成，导致天王星和海王星的冰质成分与它们在形成过程中吸积的贫冰星子之间存在不一致（Podolak et al. 2022）。本文详细阐述了这一问题，并提出了一种新的潜在解决方案。我们证明，以富含有机物的难熔物质为主的星子与原行星气态大气中的氢之间发生化学反应，可以形成大量的甲烷“冰”。因此，天王星和海王星可以与吸积了以难熔物质为主的星子相容，同时仍保持冰质状态。利用覆盖广泛参数空间的随机统计计算机模型，我们表明由此产生的富甲烷内部成分可能是一种自然的解决方案，能够很好地匹配天王星和海王星的大小、质量和转动惯量，而富岩石模型似乎仅在岩石内部与氢高度混合时才有效。我们的模型预测氢氦比低于太阳值，这一点可以进行检验。我们得出结论，天王星、海王星以及类似的系外行星可能是富甲烷的，并讨论了为何木星和土星不能如此。