在太阳系的探索历程中，诸多奇妙现象不断引发着科学家们的深入思考。就拿美国宇航局的旅行者2号宇宙飞船来说，它在80年代末奔赴太阳系的外围区域时，便察觉到了一件颇为奇怪的事情：天王星和海王星这两颗冰巨星行星，竟然缺乏所谓的“偶极磁场”。这与我们所处的地球这样的岩石行星，以及木星、土星这两颗气态巨星形成了极为鲜明的对比。

通常情况下，当靠近行星表面的致密材料逐渐冷却时，它们往往会向行星表面下沉。而与此同时，行星内部附近的热材料则会上升。这种下沉和上升材料的相互结合，便创造出了对流现象，进而促使行星内部的材料发生运动与混合。要是一个行星的内部是电导体（比如由液态金属或水构成），那么这些对流着的材料——通常被描述为“发电机”——就会产生偶极磁场，想象一下，这就如同一个有着南北两极的磁铁一般。正是通过这样的过程，地球才拥有了能够保护我们免受带电粒子侵害的磁场。 然而，天王星和海王星却并未出现这一过程，这可让科学家们好奇不已：究竟是为什么会这样呢？ 在过去的二十年里，研究人员曾推测，这是因为这些行星内部的物质层无法实现混合，从而使得那些在像地球等行星上能够产生偶极磁场的对流运动停止了。尽管到最后研究人员都认同问题确实出在这些行星内部的层分离上，但对于这些层的具体组成却一直没有定论。不过，如今加州大学伯克利分校的行星科学家Burkhard Militzer认为自己已经找到了答案。 科学家们Burkhard Militzer认为他们现在有了一个很不错的理论，可以用来解释为什么天王星和海王星的磁场与地球、木星和土星的磁场存在着很大的差异。 早在十年前，Burkhard Militzer就曾尝试运用计算机来模拟这些行星的内部情况。他通过对大约100个碳、氧、氮和氢原子（其比例反映了它们在太阳系早期阶段的丰度）在特定压力和温度下进行模拟，然而，当时并没有产生明显的层。 时间快进到去年，借助机器学习的助力，Burkhard Militzer得以模拟具有类似比例的540个原子的行为，他惊喜地发现，随着原子被加热和压缩，层自然而然地形成了。他说道：“有一天，我看着模型，发现水已经与碳和硝氮分离了。十年前我做不到的事情，现在竟然实现了。”

Burkhard Militzer解释说他当时就想，‘哇！现在我知道层为什么会形成了：一个是富含水的，另一个是富含碳的，在天王星和海王星中，位于下方的是富含碳的系统。重的部分留在底部，轻的部分留在底部，这样就无法进行任何对流了。” 根据Burkhard Militzer的模型预测，在天王星那3000英里厚（刚刚超过4800公里）的大气层之下，存在着一个极为巨大的富含水的层，其深度可达5000英里（刚刚超过8000公里）。而在这个水层之下，还有一个5000英里厚的富含碳氢化合物的层，并且在行星的中心，有一个大约水星大小的岩石核心。 尽管海王星的质量比天王星更大，但其总直径却更小，而且它的大气层相较于其冰巨星同伴也更薄。不过，它很可能也拥有类似的富含水和富含碳氢化合物的层，并且在其中心有一个火星大小的岩石核心（这为其提供了额外的质量）。 Burkhard Militzer期望有朝一日能够通过实验室实验来对自己的假设进行测试，这些实验将会尽可能地反映出这些行星的 内部条件。他还表示，前往天王星的任务或许也能为我们提供答案。该相关论文已于11月25日发表在《美国国家科学院院刊》上。 其实，并非所有的行星都拥有磁场。就拿地球来说，它的一个显著特征便是拥有磁场，这一磁场形成了一个防护盾，能够有效抵御太阳喷射出的高能粒子，从而可以说为生命提供了一个更为安全的成长环境，使得生命能够发展成为如今我们所看到的复杂生物群落。

地球磁场最为令人惊叹的表现之一便是极光，那是在太阳活动高峰期间，出现在靠近南北两极地区的舞动着的彩色光幕。另外，还有一个能够表明地球拥有磁场的迹象就是，无论你在地球上的哪个位置，指南针都会指向北方。 那么，我们该如何判断其他行星或者太阳系内的天体是否拥有磁场呢？又能否知晓遥远的系外行星是否拥有磁场呢？ 我们知道，太阳系中的气态巨星（木星和土星）和冰巨星（天王星和海王星）都拥有较为强大的内在磁场。然而，对于类地行星和卫星而言，情况就变得更加复杂了。亚利桑那州立大学的行星科学家Joseph G. O'Rourke指出，地球、水星和木星的卫星伽尼米德现在都拥有内在产生的磁场。而火星和地球的月亮则有着古老的地壳岩石，这些岩石保存了它们早期历史中曾经存在过的磁场的残余。 Joseph G. O'Rourke补充说至于地球的另一个邻居金星，金星目前并没有检测到内在磁力，不过我们还没有将仪器送到足够接近表面的地方去寻找磁化地壳。

对于一个行星或卫星而言，要想存在磁场，其内部必须有大量的导电液体处于运动状态。要是这些材料停止了运动，或者没有足够的温差来驱动行星或卫星内部流体的对流，那么流体就会移动得太慢。 科学家们认为就金星明显缺乏磁层的情况来看，存在着四种可能性。 普遍接受的观点是金星有一个类似地球的核心，但冷却得太慢。由于金星缺乏板块构造，它的时间比地球冷却得更慢。 不过，另一种可能性是金星的时间完全固态。这就要求这个行星的核心比地球的冷得多，Joseph G. O'Rourke觉得这种情况不太可能。美国宇航局计划在20世纪50年代就已经能够通过捕捉到来自木星极光的无线电发射来远程探测到木星的磁场。 科学家表示磁场其实是了解行星的最佳方式之一。强大的磁场的存在能够告诉科学家，该行星有一个大型的电导流体储备，可以四处移动。 发电机是将流体运动的能量转化为磁场的过程。在类地行星中，金属核心可以容纳发电机，就像今天的地球一样。然而，在极端的压力和温度下，液态硅酸盐（基本上是熔岩）也是电导体。在木星和土星这样的气态巨星的内部深处，氢变成了金属，这使得它们拥有强大的磁场。

那么系外行星是否有磁场呢？当谈到系外行星——也就是太阳系外的行星时，行星科学家目前还没有明确探测到磁场的存在。不过，Joseph G. O'Rourke认为我们距离能够探测到已经不远了。天文学家已经在被称为棕矮星和低质量M矮星的小恒星中探测到了极光，这些极光源于磁场。 科学家们认为下一代的仪器将能够从类似木星的系外行星中探测到磁场。从类似地球的行星中探测到磁场还在更远的地平线上，但希望在未来几十年内能够实现。总的来说，我们可以直接观测，例如通过观察极光或辐射带，或间接通过观察行星磁场与它们的母星的相互作用来探测系外行星的磁场。 目前，行星科学家们正在就磁场是否总体上保护了行星的大气层这一问题展开辩论。一方面，磁场可以屏蔽大气层免受恒星风的影响，特别是在磁赤道附近。另一方面，磁场可以将带电粒子引导到极地区域，而许多导致大气层逃逸的机制并没有受到磁场的强烈影响。 O'Rourke认为地球已经维持了数十亿年的磁场和适宜居住的表面，火星在它的磁场消失时失去了大部分的水。金星，这个地狱般的世界，缺乏磁场。在我们的太阳系中，磁性与适居性是相关的。然而，相关性不等于因果关系。 随着我们通过詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测获得更多的系外行星样本，行星科学家们将开始揭示磁场与行星适居性之间的关系。也许，极光将会成为我们我们应该更仔细寻找生命迹象的第一个指标。