天王星和海王星在太阳系中独一无二，虽表面平淡无奇，却隐藏着复杂的内部结构。40年前，“旅行者2号”探测器飞越天王星和海王星时，天文学家惊讶地发现它们并不像地球那样具有全球偶极磁场，而是拥有无序的磁场。这表明在它们深层内部并不存在像地球那样的物质对流运动。
为了解释这一现象，20多年前的两支独立研究团队提出，这两颗行星可能拥有不能混合的层，从而阻止大规模对流和全球偶极磁场的形成，但其中某些层可能会产生混乱的磁场。然而，这些非混合层的组成成分始终未能明确。
近日，美国加州大学伯克利分校的一位行星科学家利用机器学习技术，运行了模拟540个原子行为的计算机模型。模型中的碳、氧、氮和氢比例反映了早期太阳系中已知的元素构成。结果发现，当这些原子被加热并受到高压时，层状结构会自然形成：一层富含水，另一层富含碳氢化合物。
研究预测，天王星在其约3000英里（约4828公里）厚的大气层下方存在一层约5000英里（约8047公里）厚的富水层，下面紧邻一层同样厚度的富碳氢化合物层。虽然海王星的质量更大，但其直径更小，大气层更薄，却也拥有类似的富水层和富碳氢化合物层。
这项研究本周发表在《美国国家科学院学报》（PNAS）上。