超级地球的超级遐想

□ 编译　谢　懿

超级地球的超级遐想

□ 编译谢懿

大，怪异，无处不在。数倍于我们地球大的这些行星也许是寻找另一颗宜居星球的不二选择。

就在20多年前，我们太阳系中的行星仍是宇宙中的唯一。科学家们当时天真地认为，如果我们真能在其他恒星周围发现行星的话，这些行星看上去会和太阳系内的十分相似。这就像从镜子中看到我们自己一样。事实证明，我们错了。在迄今已被确认发现的1900多颗太阳系外行星中，我们已经充分见识了它们的多样性，从紧贴宿主恒星的热类木星，到比海王星还远数倍的行星，再到围绕两颗恒星转动的行星。

然而，在所有这些意外和惊喜之中，最大的当属超级地球。这类行星有别于太阳系中的任何一颗行星，质量可达地球的10倍左右。超级地球的直径和质量介于地球和气态的天王星与海王星之间。对于太阳系的居民来说，这完全是一个新的门类。但对于其他行星系统的居民来说却并非如此。令人惊讶的是，超级地球是银河系中数量最多的行星类型。在每一个种类的恒星周围都能看到它们的踪影，大自然显然很喜欢制造超级地球。

在过去的几年里，天文学家们开始对这些前所未有的行星进行了深入的研究，所取得的结果是惊人的。这一类型的行星就相当于行星中的面条——无论你走到哪儿都能找到，但又充满了近乎无穷的变化。其中一些是气态行星，迷你海王星的叫法也许更恰当。其他一些则是固态的岩质行星，可以完全为水或者熔岩所覆盖。超级地球的内部可能包含有被极度压缩的冰，温度高或附有被挤压成钻石的碳层。有些超级地球至少从表面上看与我们的地球相差无几。

这最后一种可能性正变得越来越让人兴奋，因为超级地球将会是我们能用望远镜来搜寻外星生命的第一批目标。相比之下，与地球大小相仿的行星虽然也正在渐渐涌现，但在未来若干年内对于我们的望远镜来说仍太小，而无法被细致地研究。因此，天文学家们正在上天入地地研究超级地球，想知道它们是否真的宜居生命。

新奇的行星

从一开始，发现超级地球的意义就具有讽刺意味。1992年发现的首批太阳系外行星就属于超级地球，不过它们所环绕的并非普通恒星。相反，它们的宿主恒星是一颗脉冲星。脉冲星是巨大恒星超新星爆发所留下的残骸，会发出辐射束。脉冲星PSR B1257+12所发出波束的变化表明，在它旁边还存在两个天体——行星？——每一个的质量都约为地球的3倍。

这一发现让天文学家们目瞪口呆，他们都想知道这到底是怎么回事？虽然科学家们至今仍在争论这些脉冲星行星的起源，但当时几乎没有人正眼看过这些奇特的行星。直到1995年，太阳系外行星的淘金大潮才拉开序幕，在一颗类太阳恒星周围发现了一颗距离它非常近的热类木星。终于，天文学家们发现了一颗（相对）正常的行星！

受此鼓舞，天文学家们开始筹划大规模发现行星的任务，这就是于14年后发射的开普勒空间望远镜。因部件失灵，“开普勒”的主任务于2013年结束。期间它连续地监视了150000颗恒星，寻找因行星从恒星圆面前方经过——凌星——所导致的最微小的亮度下降。凌星现象不仅能揭示出太阳系外行星的存在，同时还能根据其所遮挡星光的多少来告诉我们它们的大小。

超级地球格利泽876d的艺术概念图。版权：Trent Schindler/NSF。

1999年，天文学家们在撰写开普勒空间望远镜的计划书时就在设想是不是能找到类似地球但却更大的行星。由于当时没有一个专门的词来称谓这类行星，于是“超级地球”便应运而生。虽然那时提出这个名称很大程度上是权宜之计，但很快就被广为接受和使用，现在则已变得根深蒂固。

数年后，虽然热类木星的数量在不断增加，但超级地球却仍难觅踪影。不过，天文学家并没有因此停下脚步。2004年，他们提交了一篇学术论文，对超级地球的内部结构进行了猜想和研究。对这一概念闻所未闻的学术期刊编辑一直在思量是不是要将其送审。

一年后，在黑暗中的这些摸索得到了回报，天文学家发现超级地球绝不仅仅是在脉冲星周围才有的另类天体。此前对恒星格利泽876的研究发现它拥有2颗木星大小的行星，进一步的研究揭示出了它的第3颗行星，被称为格利泽876d，它的质量是地球的7.5倍——是当时质量最小的行星。

格利泽876d的发现确实是一个重要的临界事件。长久以来无人问津的有关超级地球内部结构的论文终于在2006年发表，而超级地球科学也就此诞生。

它们是什么做的？

超级地球科罗-7b的艺术概念图，它是第一颗被确认的太阳系外岩质行星。版权：L. Calçada/ESO。

随着超级地球数目的逐渐增多，天文学家对它们的兴趣也日渐增大。不过，在数几年的时间里，除了质量之外，天文学家们对它们一无所知。缺少了在太阳系中的对应天体，没人能猜出这些新奇的行星是岩质的（类地）、气态的（类海王星），介于两者之间（完全被水所覆盖的行星），还是以上皆有可能。组成成分是研究超级地球的天文学家需要回答的第一个问题。

为了能真正了解这些行星的本质，天文学家需要找到一颗会凌星的超级地球，由此可以估计出它的大小。一旦知道了行星的大小和质量，把质量除以体积就能得到它的密度。知道了密度就可以对它的成分做出判断。这种直觉对于地球上的我们来说是家常便饭，想知道某样东西是什么做的，可以先掂一掂。有了密度，科学家就可以判断超级地球是蓬松的球体还是实心球体，是死的行星还是宜居的行星。密度是行星的一个重要特征。

2009年末，天文学家测出了2个超级地球的密度。第一颗被称为科罗-7b，以发现它的凌星探测空间望远镜命名，质量约为地球的5倍，直径是地球的1.5倍。根据推测出的密度证实科罗-7b是第一颗真正的太阳系外岩质行星，在当时也被认为是和地球最像的行星。但由于它太靠近宿主恒星，其表面必定处于熔融状态。

第2颗则是密度较低的GJ 1214b，它是目前被研究得最多的超级地球。GJ 1214b的直径约为地球的5倍，质量则是地球的6.5倍，于是它的密度比科罗-7b的要小得多。它很可能有一个浓厚的大气层，其中也许充满了高温水蒸气。

这些研究结果为“开普勒”发现大量的超级地球奠定了基础，而“开普勒”的发现则为超级地球会在什么情况下变成不适合生命的迷你海王星提供了依据。2014年，已知密度的超级地球的数量增加到了近50个。由此得出的结论是，直径为地球的3.2倍是岩质和气态行星的分界点。直径低于这个数值，行星的密度较高，有可能是岩质的。达到或超过这个数字，虽然行星的个头会更大，但其密度就会开始下降。除却岩石之外较轻的物质，例如水、冰和气体，会占据那些体积大、密度小的超级地球的大部分。

上方的大气

当然，甄别一颗行星是岩质的还是气态的，仅仅是评估其是否宜居的第一步。现在，天文学家正在试图直接研究超级地球的大气。在凌星的过程中，宿主恒星的一部分光会穿过太阳系外行星的大气。根据这些光的颜色，就可以检测出特定分子所留下的“指纹”。有了足够的数据之后，就可以从理论上重建出其大气的组成成分。观测到气体的多少和成分不仅可以为超级地球是否宜居提供线索，还能告诉我们那里是否已经存在生命了。

到目前为止，已经在太阳系外热类木星的蓬松大气中发现了水蒸气、二氧化碳和甲烷等令人兴奋的成分。岩质超级地球的大气层则小得多，于是宿主恒星的光能穿过其大气抵达我们望远镜的也就少得多。目前为止，哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜所获得的结果最为惊人，从GJ 1214b和另一颗超级地球HD 97658b处所采集的星光并没有显现出特定分子的信号。

然而，震撼人心的恰恰是这一点，它表明这些行星可能为云层所包裹，就像金星一样。高空中的云层阻挡了穿过低空大气分子中的光线，使得它们难以被探测到。天文学家们仍在尝试解读这些云的信号。总体来说，解析出太阳系外行星大气中的分子成分将会是下一代望远镜的主要目标，例如计划于2018年发射的“哈勃”和“斯皮策”的继任者詹姆斯·韦布空间望远镜。

在此之前，天文学家希望确保他们能够理解将要采集到的数据。幸运的是，在过去的十年里，已经建立了许多有关超级地球的模型，来模拟它们内部的构造机制。

深入超级地球

超级地球GJ 1214b凌其宿主恒星的艺术概念图。版权：L. Calçada/ESO。

确定岩质超级地球物理特性最关键的因素是其内部的组成。由于质量超过地球，因此其内部压强也高于地球，这会对生命的三大要素产生影响。这三要素分别为海洋的维持性、气候的热稳定性和磁场。

这三者都与行星内部的活动休戚相关。以地球为例，在数亿年的时间里，随着刚形成的地球从其最初的熔融状态逐渐冷却，它的最外层会固化成一个硬壳。地壳随后会碎裂成板块，“漂浮”在温度和密度都更高的地幔之上，相互之间会发生碰撞和挤压。在地幔的下方则是一个地核，其内部是固体铁核，外层则是液态金属。来自核心的热量会搅动地幔，就像一个翻腾着的火锅。地壳的板块会向另一块的下方俯冲，扎入地幔（触发地震）并融化。同样地，海水也会以足够大的速率通过地幔来循环，以维持海洋长久的存在性。通过板块间的火山缝隙，岩石和水会重新返回到地表，如此循环往复。

到目前为止，地球仍是整个图像的中心。那么超级地球呢？研究发现，超级地球也可以是一颗蔚蓝色的行星。得益于地幔对水的充分循环，它们可以维持住自身的海洋达数十亿年，这个时间与地球的相当甚至更长。

通过板块构造导致的这一循环也会左右超级地球是否能拥有长期宜居的气候。这里的关键是二氧化碳——可以有效防止热量向太空流失的温室气体。地球上岩石和海水都会吸收大气中的二氧化碳，封存可以保温的碳，使得自身冷却。当这些地表物质循环进入地幔，碳被重新转化成二氧化碳气体，通过火山返回大气层。由此形成一个自我调节的过程：当大气层中的二氧化碳含量升高时，岩石和水就会吸收更多的气体，抑制地球变暖。当二氧化碳的含量降低时，这一碳吸收过程就会减弱，使得地球的温度不会变得过低。由此，地球可以对全球温度进行自我调节。

超级地球是否也具有这一温度调控机制呢？一项理论研究显示，超级地球可能拥有更为活跃的板块构造。更高的内热会产生更快的对流，加速地幔流动。相比地球，板块活动就更活跃。这些“超级”板块构造可以维持大气中碳含量的稳定，使得超级地球拥有比地球更加稳定的气候。然而，另一项研究的结论则相反：超级地球的引力更强，会使得地壳保持完整，不会发生碎裂。因此，没有地质构造，就不可能有生命。虽然很多人都认为板块构造是可能的，但是至今这个问题仍然悬而未决。

超级地球宜居性的另一大问题植根于其内部，即它是否拥有磁场。地球磁场偏转了大量来自太阳的带电粒子，这些粒子能够杀死任何生命。地球核心处液态铁的流动造就了这个盾牌。然而，超级地球内部的压强更高，这使得熔化铁所需的温度也更高。有研究显示，超级地球的内部会呈固态，而不会像地球这样出现液态铁层。没有流动的金属就不会产生磁场，于是就不会有生命。

但另一项研究则指出了另一种可能性：较高的热量可能会熔化氧化镁——常使用于陶瓷中的一种矿物，它在超级地球的含量有可能会很高。液态氧化镁的流动也可以产生出磁场。

很显然，只有更好地了解其内部的运转机制，才能对超级地球的宜居性有更准确地把握。把地球的情况简单放大肯定是不合适的，这里还涉及一些非常有趣的新物理机制。例如，超级地球的内部作用是如何影响其向大气释放气体的。了解超级地球大气层中的二氧化碳含量将有助于天文学家确定它的温度，若二氧化碳过多就会使得它像金星一样出现失控的温室效应。

生命的迹象

宜居气候的理论和模型是一回事，但找到外星生命的确切证据则是另外一件事情。为了做到这一点，需要探测到气体的特定混合组成，被称为生物信号。这些信号只能由生命体才能产生。一个常见的例子便是有甲烷存在于大量的氧中，就像在地球大气层中的情况。通常，氧会迅速地破坏甲烷，甲烷还会像二氧化碳一样渗入岩石，因此若大气中有这两种气体共存的话，那么必定有东西——如生物——必须不断地维持住它们。这个想法的核心是生命体会对太阳系外行星的大气层产生深刻的影响。当我们能够探测数十乃至上百光年之外一颗行星的大气层时，这个想法就会变得强大而有力。

通过了解哪些超级地球是岩质且拥有有利于生命的内部物理机制，天文学家可以为下一代的望远镜挑选出适合探测生物信号的理想目标。计划于2017年发射的太阳系外行星巡天卫星（TESS）将会对明亮近距恒星周围的凌星行星进行搜寻，因为它们最易于研究。在它潜在的研究目标中大概会有20颗是位于宜居带的超级地球。宜居带里不冷也不热，是生命居住的理想场所。与此同时，韦布空间望远镜和其他的设备则将对由它挑选出的目标进行细致的研究。到21世纪20年代，地面上直径达30米的巨型望远镜也会加入到这一行列中来。

如果太阳系外行星的研究历史有什么可以借鉴的话，那就是层出不穷的惊喜和意外。很显然，大自然远比我们更富有想象力。超级地球本身就是一个最好的证明。

（责任编辑张长喜）