□ 編譯　謝　懿

超級地球的超級遐想

□ 編譯謝懿

大，怪異，無處不在。數(shù)倍于我們地球大的這些行星也許是尋找另一顆宜居星球的不二選擇。

就在20多年前，我們太陽系中的行星仍是宇宙中的唯一。科學家們當時天真地認為，如果我們真能在其他恒星周圍發(fā)現(xiàn)行星的話，這些行星看上去會和太陽系內(nèi)的十分相似。這就像從鏡子中看到我們自己一樣。事實證明，我們錯了。在迄今已被確認發(fā)現(xiàn)的1900多顆太陽系外行星中，我們已經(jīng)充分見識了它們的多樣性，從緊貼宿主恒星的熱類木星，到比海王星還遠數(shù)倍的行星，再到圍繞兩顆恒星轉動的行星。

然而，在所有這些意外和驚喜之中，最大的當屬超級地球。這類行星有別于太陽系中的任何一顆行星，質量可達地球的10倍左右。超級地球的直徑和質量介于地球和氣態(tài)的天王星與海王星之間。對于太陽系的居民來說，這完全是一個新的門類。但對于其他行星系統(tǒng)的居民來說卻并非如此。令人驚訝的是，超級地球是銀河系中數(shù)量最多的行星類型。在每一個種類的恒星周圍都能看到它們的蹤影，大自然顯然很喜歡制造超級地球。

在過去的幾年里，天文學家們開始對這些前所未有的行星進行了深入的研究，所取得的結果是驚人的。這一類型的行星就相當于行星中的面條——無論你走到哪兒都能找到，但又充滿了近乎無窮的變化。其中一些是氣態(tài)行星，迷你海王星的叫法也許更恰當。其他一些則是固態(tài)的巖質行星，可以完全為水或者熔巖所覆蓋。超級地球的內(nèi)部可能包含有被極度壓縮的冰，溫度高或附有被擠壓成鉆石的碳層。有些超級地球至少從表面上看與我們的地球相差無幾。

這最后一種可能性正變得越來越讓人興奮，因為超級地球將會是我們能用望遠鏡來搜尋外星生命的第一批目標。相比之下，與地球大小相仿的行星雖然也正在漸漸涌現(xiàn)，但在未來若干年內(nèi)對于我們的望遠鏡來說仍太小，而無法被細致地研究。因此，天文學家們正在上天入地地研究超級地球，想知道它們是否真的宜居生命。

新奇的行星

從一開始，發(fā)現(xiàn)超級地球的意義就具有諷刺意味。1992年發(fā)現(xiàn)的首批太陽系外行星就屬于超級地球，不過它們所環(huán)繞的并非普通恒星。相反，它們的宿主恒星是一顆脈沖星。脈沖星是巨大恒星超新星爆發(fā)所留下的殘骸，會發(fā)出輻射束。脈沖星PSR B1257+12所發(fā)出波束的變化表明，在它旁邊還存在兩個天體——行星？——每一個的質量都約為地球的3倍。

這一發(fā)現(xiàn)讓天文學家們目瞪口呆，他們都想知道這到底是怎么回事？雖然科學家們至今仍在爭論這些脈沖星行星的起源，但當時幾乎沒有人正眼看過這些奇特的行星。直到1995年，太陽系外行星的淘金大潮才拉開序幕，在一顆類太陽恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆距離它非常近的熱類木星。終于，天文學家們發(fā)現(xiàn)了一顆（相對）正常的行星！

受此鼓舞，天文學家們開始籌劃大規(guī)模發(fā)現(xiàn)行星的任務，這就是于14年后發(fā)射的開普勒空間望遠鏡。因部件失靈，“開普勒”的主任務于2013年結束。期間它連續(xù)地監(jiān)視了150000顆恒星，尋找因行星從恒星圓面前方經(jīng)過——凌星——所導致的最微小的亮度下降。凌星現(xiàn)象不僅能揭示出太陽系外行星的存在，同時還能根據(jù)其所遮擋星光的多少來告訴我們它們的大小。

超級地球格利澤876d的藝術概念圖。版權：Trent Schindler/NSF。

1999年，天文學家們在撰寫開普勒空間望遠鏡的計劃書時就在設想是不是能找到類似地球但卻更大的行星。由于當時沒有一個專門的詞來稱謂這類行星，于是“超級地球”便應運而生。雖然那時提出這個名稱很大程度上是權宜之計，但很快就被廣為接受和使用，現(xiàn)在則已變得根深蒂固。

數(shù)年后，雖然熱類木星的數(shù)量在不斷增加，但超級地球卻仍難覓蹤影。不過，天文學家并沒有因此停下腳步。2004年，他們提交了一篇學術論文，對超級地球的內(nèi)部結構進行了猜想和研究。對這一概念聞所未聞的學術期刊編輯一直在思量是不是要將其送審。

一年后，在黑暗中的這些摸索得到了回報，天文學家發(fā)現(xiàn)超級地球絕不僅僅是在脈沖星周圍才有的另類天體。此前對恒星格利澤876的研究發(fā)現(xiàn)它擁有2顆木星大小的行星，進一步的研究揭示出了它的第3顆行星，被稱為格利澤876d，它的質量是地球的7.5倍——是當時質量最小的行星。

格利澤876d的發(fā)現(xiàn)確實是一個重要的臨界事件。長久以來無人問津的有關超級地球內(nèi)部結構的論文終于在2006年發(fā)表，而超級地球科學也就此誕生。

它們是什么做的？

超級地球科羅-7b的藝術概念圖，它是第一顆被確認的太陽系外巖質行星。版權：L. Cal?ada/ESO。

隨著超級地球數(shù)目的逐漸增多，天文學家對它們的興趣也日漸增大。不過，在數(shù)幾年的時間里，除了質量之外，天文學家們對它們一無所知。缺少了在太陽系中的對應天體，沒人能猜出這些新奇的行星是巖質的（類地）、氣態(tài)的（類海王星），介于兩者之間（完全被水所覆蓋的行星），還是以上皆有可能。組成成分是研究超級地球的天文學家需要回答的第一個問題。

為了能真正了解這些行星的本質，天文學家需要找到一顆會凌星的超級地球，由此可以估計出它的大小。一旦知道了行星的大小和質量，把質量除以體積就能得到它的密度。知道了密度就可以對它的成分做出判斷。這種直覺對于地球上的我們來說是家常便飯，想知道某樣東西是什么做的，可以先掂一掂。有了密度，科學家就可以判斷超級地球是蓬松的球體還是實心球體，是死的行星還是宜居的行星。密度是行星的一個重要特征。

2009年末，天文學家測出了2個超級地球的密度。第一顆被稱為科羅-7b，以發(fā)現(xiàn)它的凌星探測空間望遠鏡命名，質量約為地球的5倍，直徑是地球的1.5倍。根據(jù)推測出的密度證實科羅-7b是第一顆真正的太陽系外巖質行星，在當時也被認為是和地球最像的行星。但由于它太靠近宿主恒星，其表面必定處于熔融狀態(tài)。

第2顆則是密度較低的GJ 1214b，它是目前被研究得最多的超級地球。GJ 1214b的直徑約為地球的5倍，質量則是地球的6.5倍，于是它的密度比科羅-7b的要小得多。它很可能有一個濃厚的大氣層，其中也許充滿了高溫水蒸氣。

這些研究結果為“開普勒”發(fā)現(xiàn)大量的超級地球奠定了基礎，而“開普勒”的發(fā)現(xiàn)則為超級地球會在什么情況下變成不適合生命的迷你海王星提供了依據(jù)。2014年，已知密度的超級地球的數(shù)量增加到了近50個。由此得出的結論是，直徑為地球的3.2倍是巖質和氣態(tài)行星的分界點。直徑低于這個數(shù)值，行星的密度較高，有可能是巖質的。達到或超過這個數(shù)字，雖然行星的個頭會更大，但其密度就會開始下降。除卻巖石之外較輕的物質，例如水、冰和氣體，會占據(jù)那些體積大、密度小的超級地球的大部分。

上方的大氣

當然，甄別一顆行星是巖質的還是氣態(tài)的，僅僅是評估其是否宜居的第一步?，F(xiàn)在，天文學家正在試圖直接研究超級地球的大氣。在凌星的過程中，宿主恒星的一部分光會穿過太陽系外行星的大氣。根據(jù)這些光的顏色，就可以檢測出特定分子所留下的“指紋”。有了足夠的數(shù)據(jù)之后，就可以從理論上重建出其大氣的組成成分。觀測到氣體的多少和成分不僅可以為超級地球是否宜居提供線索，還能告訴我們那里是否已經(jīng)存在生命了。

到目前為止，已經(jīng)在太陽系外熱類木星的蓬松大氣中發(fā)現(xiàn)了水蒸氣、二氧化碳和甲烷等令人興奮的成分。巖質超級地球的大氣層則小得多，于是宿主恒星的光能穿過其大氣抵達我們望遠鏡的也就少得多。目前為止，哈勃空間望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡所獲得的結果最為驚人，從GJ 1214b和另一顆超級地球HD 97658b處所采集的星光并沒有顯現(xiàn)出特定分子的信號。

然而，震撼人心的恰恰是這一點，它表明這些行星可能為云層所包裹，就像金星一樣。高空中的云層阻擋了穿過低空大氣分子中的光線，使得它們難以被探測到。天文學家們?nèi)栽趪L試解讀這些云的信號?？傮w來說，解析出太陽系外行星大氣中的分子成分將會是下一代望遠鏡的主要目標，例如計劃于2018年發(fā)射的“哈勃”和“斯皮策”的繼任者詹姆斯·韋布空間望遠鏡。

在此之前，天文學家希望確保他們能夠理解將要采集到的數(shù)據(jù)。幸運的是，在過去的十年里，已經(jīng)建立了許多有關超級地球的模型，來模擬它們內(nèi)部的構造機制。

深入超級地球

超級地球GJ 1214b凌其宿主恒星的藝術概念圖。版權：L. Cal?ada/ESO。

確定巖質超級地球物理特性最關鍵的因素是其內(nèi)部的組成。由于質量超過地球，因此其內(nèi)部壓強也高于地球，這會對生命的三大要素產(chǎn)生影響。這三要素分別為海洋的維持性、氣候的熱穩(wěn)定性和磁場。

這三者都與行星內(nèi)部的活動休戚相關。以地球為例，在數(shù)億年的時間里，隨著剛形成的地球從其最初的熔融狀態(tài)逐漸冷卻，它的最外層會固化成一個硬殼。地殼隨后會碎裂成板塊，“漂浮”在溫度和密度都更高的地幔之上，相互之間會發(fā)生碰撞和擠壓。在地幔的下方則是一個地核，其內(nèi)部是固體鐵核，外層則是液態(tài)金屬。來自核心的熱量會攪動地幔，就像一個翻騰著的火鍋。地殼的板塊會向另一塊的下方俯沖，扎入地幔（觸發(fā)地震）并融化。同樣地，海水也會以足夠大的速率通過地幔來循環(huán)，以維持海洋長久的存在性。通過板塊間的火山縫隙，巖石和水會重新返回到地表，如此循環(huán)往復。

到目前為止，地球仍是整個圖像的中心。那么超級地球呢？研究發(fā)現(xiàn)，超級地球也可以是一顆蔚藍色的行星。得益于地幔對水的充分循環(huán)，它們可以維持住自身的海洋達數(shù)十億年，這個時間與地球的相當甚至更長。

通過板塊構造導致的這一循環(huán)也會左右超級地球是否能擁有長期宜居的氣候。這里的關鍵是二氧化碳——可以有效防止熱量向太空流失的溫室氣體。地球上巖石和海水都會吸收大氣中的二氧化碳，封存可以保溫的碳，使得自身冷卻。當這些地表物質循環(huán)進入地幔，碳被重新轉化成二氧化碳氣體，通過火山返回大氣層。由此形成一個自我調(diào)節(jié)的過程：當大氣層中的二氧化碳含量升高時，巖石和水就會吸收更多的氣體，抑制地球變暖。當二氧化碳的含量降低時，這一碳吸收過程就會減弱，使得地球的溫度不會變得過低。由此，地球可以對全球溫度進行自我調(diào)節(jié)。

超級地球是否也具有這一溫度調(diào)控機制呢？一項理論研究顯示，超級地球可能擁有更為活躍的板塊構造。更高的內(nèi)熱會產(chǎn)生更快的對流，加速地幔流動。相比地球，板塊活動就更活躍。這些“超級”板塊構造可以維持大氣中碳含量的穩(wěn)定，使得超級地球擁有比地球更加穩(wěn)定的氣候。然而，另一項研究的結論則相反：超級地球的引力更強，會使得地殼保持完整，不會發(fā)生碎裂。因此，沒有地質構造，就不可能有生命。雖然很多人都認為板塊構造是可能的，但是至今這個問題仍然懸而未決。

超級地球宜居性的另一大問題植根于其內(nèi)部，即它是否擁有磁場。地球磁場偏轉了大量來自太陽的帶電粒子，這些粒子能夠殺死任何生命。地球核心處液態(tài)鐵的流動造就了這個盾牌。然而，超級地球內(nèi)部的壓強更高，這使得熔化鐵所需的溫度也更高。有研究顯示，超級地球的內(nèi)部會呈固態(tài)，而不會像地球這樣出現(xiàn)液態(tài)鐵層。沒有流動的金屬就不會產(chǎn)生磁場，于是就不會有生命。

但另一項研究則指出了另一種可能性：較高的熱量可能會熔化氧化鎂——常使用于陶瓷中的一種礦物，它在超級地球的含量有可能會很高。液態(tài)氧化鎂的流動也可以產(chǎn)生出磁場。

很顯然，只有更好地了解其內(nèi)部的運轉機制，才能對超級地球的宜居性有更準確地把握。把地球的情況簡單放大肯定是不合適的，這里還涉及一些非常有趣的新物理機制。例如，超級地球的內(nèi)部作用是如何影響其向大氣釋放氣體的。了解超級地球大氣層中的二氧化碳含量將有助于天文學家確定它的溫度，若二氧化碳過多就會使得它像金星一樣出現(xiàn)失控的溫室效應。

生命的跡象

宜居氣候的理論和模型是一回事，但找到外星生命的確切證據(jù)則是另外一件事情。為了做到這一點，需要探測到氣體的特定混合組成，被稱為生物信號。這些信號只能由生命體才能產(chǎn)生。一個常見的例子便是有甲烷存在于大量的氧中，就像在地球大氣層中的情況。通常，氧會迅速地破壞甲烷，甲烷還會像二氧化碳一樣滲入巖石，因此若大氣中有這兩種氣體共存的話，那么必定有東西——如生物——必須不斷地維持住它們。這個想法的核心是生命體會對太陽系外行星的大氣層產(chǎn)生深刻的影響。當我們能夠探測數(shù)十乃至上百光年之外一顆行星的大氣層時，這個想法就會變得強大而有力。

通過了解哪些超級地球是巖質且擁有有利于生命的內(nèi)部物理機制，天文學家可以為下一代的望遠鏡挑選出適合探測生物信號的理想目標。計劃于2017年發(fā)射的太陽系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）將會對明亮近距恒星周圍的凌星行星進行搜尋，因為它們最易于研究。在它潛在的研究目標中大概會有20顆是位于宜居帶的超級地球。宜居帶里不冷也不熱，是生命居住的理想場所。與此同時，韋布空間望遠鏡和其他的設備則將對由它挑選出的目標進行細致的研究。到21世紀20年代，地面上直徑達30米的巨型望遠鏡也會加入到這一行列中來。

如果太陽系外行星的研究歷史有什么可以借鑒的話，那就是層出不窮的驚喜和意外。很顯然，大自然遠比我們更富有想象力。超級地球本身就是一個最好的證明。

（責任編輯張長喜）