超級地球：奇異新世界

早前，科學家們天真地認為，如果我們發現其它圍繞恆星運轉的行星，這些新行星應該跟我們太陽系內的行星相類似。

但是，我們錯了，宇宙總是讓人捉摸不透。目前發現的1900多顆（數字還在增加中）系外行星，許多與我們太陽系內行星很不一樣，比方說2011年發現了圍繞兩顆恆星運行的行星。它就像是科幻電影《星球大戰》中，圍繞雙星運動的行星塔圖因，主人公盧克在這顆行星上，可以凝望「雙日同落」。天文學的新發現，讓科幻故事變為觸手可及的現實。

尋找「生命行星」

但系外行星給我們的最大驚喜，或許是「超級地球」，也被稱作「超級類地行星」。這一類的行星，廣義上是指那些環境可能與地球類似，而質量通常為地球1到10倍的行星。

1992年，天文學家首次發現系外行星，而且一次就發現了兩顆，它們每一顆幾乎都是地球質量的3倍，一般來說，行星都會繞著恆星來運轉，就像我們的地球繞著太陽一樣，但是這兩顆系外行星卻特別另類，因為它們是繞著一顆叫做PSR B1257+12的脈衝星（位於室女座，距離地球大約980光年）運轉。

這個發現令研究人員目瞪口呆，因為當時天文學家一般認為，只有主序星周圍才可能存在行星，而所觀察到的第一批系外行星竟然是在脈衝星周圍找到的，為什麼有這麼奇怪的事情？

直到1995年，天文學家在一顆典型的類日恆星周圍發現了一顆所謂的「熱木星」（即公轉軌道極為接近其母恆星的類木行星），才輕舒一口氣。這個星球的發現，使天文學家們受到鼓舞，並開始計劃尋找系外超級地球的「獵星任務」。

2009年，專門用於探測系外行星的開普勒太空望遠鏡升空之後，掃描了其視野範圍內的15萬顆恆星。從此，發現超級地球的喜訊就不斷傳來，太空望遠鏡得到的一系列圖片令人驚奇：它們有的是氣態的球體，更像是迷你海王星；有的則是岩石類的超級地球，可以完全被海水或熔岩覆蓋。

密度很重要

欣喜若狂的行星獵人們發現了更多的星球，並添加到超級地球的名單中。然而直到現在，除了它們的質量，科學家們對這些星球一無所知，沒有人能猜測出：這些新奇的行星是屬於岩石類的（類似於地球）、氣態的（類似於海王星），或者介於兩者之間？又或者以上的類型都有涉及？

因此，關於超級地球的第一個大問題是：它們由什麼構成？想要深入了解行星的基本物質，天文學家需要找到一個「凌日」——即行星經過主恆星時，遮擋了主恆星的部分光線，從而讓我們可以估算行星的大小。一旦天文學家知道了某顆行星的大小和質量，根據高中所學的物理，我們就能算出該行星的密度（密度等於質量除以體積）。有了密度，科學家就可以判斷超級地球為鬆散球還是實心球，是「死亡的世界」，還是可能的「活的世界」。因此密度十分重要，它能告訴我們關於星球的特徵。

尋找系外行星「凌日」的過程並不容易，但這樣的等待，終於在2009年有了進展，那一年天文學家推算出了兩顆超級地球的密度。首先，宇宙飛船看見了一顆正在「凌日」的行星，後來被命名為CoRoT-7b，它的直徑大約是地球的1.5倍，質量則是地球的5倍。這意味著CoRoT-7b是第一顆被發現的系外岩石行星，不過它跟它的母恆星距離特別接近，其表面肯定會融化——可能更類似水星。

第二顆是GJ 1214 b，它是被研究得最多的超級地球，其直徑約為地球的5倍，但質量只有地球的6.5倍，密度遠小於之前發現的CoRoT-7b。GJ 1214 b行星距離地球40光年，它上面富含豐富的水資源：星球四分之三的表面都被深海覆蓋。這是人類第一次在太陽系外發現的飽含液態水的行星，但與此並存的卻是常年190℃的高溫，因此，GJ 1214 b上充滿著灼熱而濃厚的水蒸氣，這樣的環境也許並不適合地球形態的生命存在，但有可能發現其他形態的生命。

據統計，已知密度的超級地球數量，大約在40個左右。一般來說，直徑在地球3.2倍以下的系外行星，其密度就很高，很可能是岩石行星；而當直徑超過地球直徑的3.2倍時，行星的密度會開始下降，那麼就可能是由較輕的物體，如水、冰和氣體等組成的氣態行星。

如何揭秘行星大氣

在地球上，大氣對動物、植物、人類來說，必不可少，所以超級地球的大氣層也是天文學家下一步的研究目標。

我們之前提到了，在「凌日」穿越過程中，主星的光穿過系外行星的大氣後，一些波段的光會被特定的大氣分子吸收。這時科學家通過分析光譜，就可以檢測到行星大氣的特定分子。如果獲得足夠多的數據，科學家就可以在理論上分析出行星大氣層的基本組成成分。

假設能觀察到氣體的組成成分，那麼或許就能提供一種線索：超級地球是否有生命存在？或者生命是否已經存在於超級地球上？因為根據大氣中有什麼樣的氣體，就可以推測某些生命是否存在。

到目前為止，在大氣氣體種類分析上，有很多令人激動的發現，其中就包括了「超級木星」的大氣組成。科學家發現「超級木星」龐大的大氣層中，主要是水蒸氣、二氧化碳和甲烷，與木星的大氣成分非常相似。而超級地球的研究，還在進展之中。

但是太空望遠鏡對岩石類超級地球上的大氣成分的檢測效果非常弱，比如在GJ 1214 b和另一個超級地球HD 97658 b附近收集到的星光，通過光譜分析所發現的特定分子的數量很少。天文學家給出的解釋是，這兩個星球可能像金星一樣，被雲氣包裹住了，厚雲層顯然阻擋了來自低層大氣分子的特定光線，使其難以識別。

天文學家仍在努力解開雲層的特徵。總的來說，系外行星大氣的分子結構，將是下一代望遠鏡（韋伯太空望遠鏡）的主要目標。

判斷宜居的3個屬性

對於一顆岩石類超級地球來說，是否適合生命居住，涉及到3個與生命攸關的行星屬性：海洋的調節、氣候「空調器」、磁場。

以地球為例，在其從熔融狀態開始冷卻的最初幾億年的時間裡，其最外層固化成為地殼，然後分裂成板塊，這些板塊在一個熾熱、高密度的地幔區域上面，相互碰撞和磨碎，而在它們之下藏著一個堅固的地核，地核噴出的熱氣不斷攪動著地幔，就像是一個冒熱氣的火鍋。地殼板塊可能會向下俯衝，重新跑到地幔中（觸發地震），接著被熔化掉，同樣地，海水也通過地幔來循環，如此持續了億萬年時間。通過地球板塊之間的火山裂縫，岩石和水返回地球的表面，這樣周而復始地運作。

那麼，在超級地球上，這3個屬性會是怎樣的呢？

首先討論一下海洋。超級地球可能是笨重的藍色行星，它們保留的海洋已經有數十億年，可能與地球上的海洋一樣，甚至更好，因為超級地球可能會有充足的水，供應給地幔循環利用。而地幔循環啟動了星球的板塊運動，在很長的時期，會影響超級地球是否有宜居的氣候，而影響的關鍵點，就是二氧化碳這種溫室氣體。

二氧化碳是一種很有用的氣體。一方面，它能捕獲空氣中的熱量，維持地球表面溫度。另一方面，岩石和海水吸收大氣中的二氧化碳，並封存起來，而二氧化碳的減少，就說明熱量減少，那麼星球就會冷卻下來。由於岩石和海水這些地表物質會進入地幔，碳就會被轉換回二氧化碳氣體，並通過火山噴發返回到大氣中，而大氣中二氧化碳水平上升，又能使行星變暖，這樣循環的最終結果就是：地球能自我調節溫度。

那麼，超級地球也擁有這個「溫度自動調節器」嗎？2007年就有一項研究，表明了超級地球有較高的內部熱量，能產生更快的對流，類似於地球地幔環流，但其對流更具活力，而且力量更大，所以與地球相比，它似乎更容易創造出板塊構造，這樣的「超級」板塊可以保持大氣中二氧化碳的水平，這意味著這些星球比地球更能平衡氣候。

然而，同時又有相反的觀點：在超級地球上，引力佔主導地位，地殼上的不同板塊就會被引力牢牢固定住，而不能產生板塊漂移和碰撞。沒有了板塊活動，二氧化碳就不能內外循環，就沒有「溫度自動調節器」功能，這樣的話，生命就很難誕生了。隨後的研究都各自支持這兩種觀點，好幾年過去了，這件事仍然懸而未決。

此外，超級地球的宜居還面臨一個大問題：行星內部需要一個磁場。假設地球沒有磁場來抵擋太陽風的衝擊，生命即使出現也難以立足，但我們地球內部晃動的液態鐵層，會產生磁場這個「盾牌」，保護著生命。

根據一項研究，超級地球的內部結構可能是固體，而不是像地球一樣有不同層次。沒有液態金屬層，就相當於沒有磁場，生命也就難以存在。然而，我們不要絕望，也有研究指出了另一種可能：超級地球內部的高熱量可能會融化氧化鎂，當這種礦物液化和翻騰後，就可以產生磁場。

顯然，我們還是需要更好地掌握超級地球的內部運作，進一步研究它們是否宜居。

星際移民或成現實

目前，已經發現的超級地球還只是冰山一角，隨著現代觀測手段的進步和新一代技術革新，發現超級地球的速度會越來越快。將來，人類可能找到圍繞著類似太陽這樣的恆星公轉、並且適宜人類居住的行星。而一旦發現了這樣的行星，星際移民也可能會變成現實。

2015年，英國學者確認了超級地球——GJ 581 d為首個系外宜居星球。這個行星大小約為地球的3倍，是人類在太陽系之外發現的第一個位於宜居帶中的行星，距離地球僅約22光年，在浩瀚的宇宙中算得上是地球的「鄰居」，科學家認為它是人類潛在的太空移民選擇。

此外，「凌日系外行星勘測衛星（TESS）」，將於2017年由美國麻省理工學院負責發射，主要搜索距離太陽系較近的明亮恆星，看看能不能發現更多的像地球一樣大小的行星，這樣的行星越多代表著，生命存活的幾率就越大，未來的星際移民幾率也就越大。

本文源自大科技*科學之謎 2016年第10期雜誌文章、歡迎廣大讀者關注我們大科技的微信號：hdkj1997