天王星和海王星在太陽系中獨一無二，雖表面平淡無奇，卻隱藏著複雜的內部結構。 40年前，「旅行者2號」探測器飛越天王星和海王星時，天文學家驚訝地發現它們並不像地球那樣具有全球偶極磁場，而是擁有無序的磁場。這顯示在它們深層內部並不存在像地球那樣的物質對流運動。

為了解釋這一現象，20多年前的兩支獨立研究團隊提出，這兩顆行星可能擁有不能混合的層，從而阻止大規模對流和全球偶極磁場的形成，但其中某些層可能會產生混亂的磁場。然而，這些非混合層的組成成分始終未能明確。

近日，美國加州大學柏克萊分校的一位行星科學家利用機器學習技術，運行了模擬540個原子行為的電腦模型。模型中的碳、氧、氮和氫比例反映了早期太陽系中已知的元素組成。結果發現，當這些原子被加熱並受到高壓時，層狀結構會自然形成：一層富含水，另一層則富含碳氫化合物。

研究預測，天王星在其約3000英里（約4828公里）厚的大氣層下方存在一層約5000英里（約8047公里）厚的富水層，下面緊鄰一層同樣厚度的富碳氫化合物層。雖然海王星的質量較大，但其直徑較小，大氣層較薄，卻也擁有類似的富水層和富碳氫化合物層。

這項研究本週發表在《美國國家科學院學報》（PNAS）。