「超級地球」：我從哪裡來？| 天問專欄

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?超級地球想像圖，圖片來源：NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

編者按：

正如我們知道人是怎麼來的，卻不知道「超人」是怎麼來的一樣，天文學家（大概）知道地球是怎麼形成的，但卻不知道比地球個頭稍大的「超級地球」（super-Earth）是怎麼形成的。通過對這些「超級地球」的研究，天文學家既希望解釋它們自身的特別之處，又希望籍此去解開地球本身的一些未解之謎。

然而，隨著研究的不斷深入，不僅「超級地球」的身世之謎陷入了類似「拆了東牆補西牆」的尷尬境地，甚至我們所在的太陽系都有變成「特殊異類」的可能。本期《天問》專欄將以開普勒太空望遠鏡的視角為基礎，帶你一窺「超級地球」的形成之謎。

撰文 | 祝 偉（多倫多大學理論天體物理研究所）

責編 | 呂浩然

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2009年發射並運行至今的開普勒（Kepler）太空望遠鏡至今已經發現了超過5000顆系外行星。通過對這些系統的統計研究極大地改觀了我們對於行星和系外行星的認識。

Kepler所發現的這些系外行星裡面，絕大多數都屬於所謂的「超級地球」——行星大小介於地球和海王星之間，且軌道周期大都小於100天（圖1）。如此大量的「超級地球」實在超出了天文學家的意料之外。他們提出了很多不同的理論去解釋其形成的原因，但時至今日我們還是不知道這些「超級地球」是怎麼來的，從哪裡來。

?圖1：系外行星的分布情況。左圖展示的是所有非Kepler探測到的系外行星的質量（縱軸）-軌道周期（橫軸）圖，右圖展示的是包括Kepler行星在內的行星大小（縱軸）-軌道周期（橫軸）圖。不同顏色則代表不同的探測手段。非Kepler探測到的系外行星裡面，86%都超過海王星（Neptune）大小，而Kepler行星裡面，85%都小于海王星。圖片來源：文獻[1]。

「超級地球」為什麼特殊？

之所以說Kepler發現這麼多「超級地球」出乎我們的意料，人們先入為主的觀念可能佔據了很大一部分原因。在Kepler之前，由於技術水平的限制，人們僅探測到極個別和地球大小差不多的系外行星（圖1左）。所以天文學家普遍認為，大多數系外行星系統應該和我們太陽系一樣：離恆星較近的區域因為缺乏足夠的「礦物質」（或稱固體物質，solid material），行星普遍「長不大」，最大的也就與地球大小相當；離恆星較遠的區域則因為有足夠的「礦物質」，且溫度足夠低，行星可以在足夠短的時間內聚集大量的物質，並最終成長為體積巨大（相對於地球而言）的巨行星。這些巨行星在某些特定條件下可以向內遷移，形成熱木星（hot Jupiter）或熱海星（hot Neptune）。

也就是說，在距離恆星一個日地距離（1 AU）以內的區域，行星要麼是不超過地球大小的、形成於本地的岩石行星，要麼是超過海王星大小的、由較遠區域遷移過來的氣態巨行星，而熱海星和地球大小的岩石行星之間應該存在一片很大的空白（圖2）。因此，Kepler發現的如此大量的「超級地球」完全出乎人們的意料，甚至可以說在一定程度上顛覆了人們對行星形成的理論認知。

?圖2：行星形成模型預測的行星質量和軌道半長軸分布。同其它模型一樣，該模型預測行星系統應該普遍缺乏質量處於幾倍到20倍地球質量、半長軸小於1 AU（1AU=8光分，即光在太空中傳播8分鐘所經過的距離）的「超級地球」。這與實際觀測結果幾乎完全相反（見圖1）。 海王星質量大約為地球的17倍。圖片來源：文獻[2]。

Kepler觀測到的這些「超級地球」不僅個頭比地球大，質量也比地球要重。這些行星由於質量小且離主星較遠，它們所引起的恆星視向速度（運動速度沿視線方向的分量）的變化十分微弱，小於目前的探測極限（1m/s），因此精確測量絕大多數Kepler行星的質量超出了我們現有的技術水平。

但是通過對大樣本的統計研究表明，這些「超級地球」的平均質量可能在3-5倍地球質量左右。而包含「超級地球」的行星系統平均又有三個這樣的行星。因此，平均每個這樣的行星系統有大約十倍地球質量的「礦物質」，且這些物質基本都集中在100天軌道以內。這是十分驚人的物質聚集。

以太陽系作為對比，水星離太陽最近，軌道周期為88天，但水星質量只有不到0.05倍的地球質量，而整個太陽系即使放大到地球軌道以內（365天，包括地球）也只有大約2倍的地球質量。這與Kepler發現的行星系統相差數倍。像Kepler行星系統這樣，如此大量的物質集中在很小的區域內，假設再把已經被驅離的氣體按照正常的比例考慮進去，那麼誕生這些「超級地球」的原行星盤（protoplanetary disk）將是不能承受之重：如此重的行星盤很可能不穩定而直接坍縮形成大個的氣團，而非固態的行星。正是因為這個原因，天文學家大多認為「超級地球」不太可能是在其現在所在的位置形成的。

「超級地球」的另一個特徵是其包含占體重相當大比例（約1%）的大氣。作為對比，地球大氣只佔地球總質量的不到百萬分之一，但卻支撐起厚度達100公里的大氣層（地球半徑6400公里）。所以「超級地球」的體積裡面有很大部分都是氣態。與地球大氣層組成不同，「超級地球」的超級大氣層幾乎都是由氫和氦組成的。這些都使得「超級地球」同太陽系的天王星或海王星有點相似。「超級地球」的這一特徵似乎也為遷移理論提供了佐證。

?圖3：Kepler-90是至今為止人類找到的除太陽系以外的唯一一個八行星系統。上圖表示的是Kepler-90行星系統內各行星與太陽系各行星大小的比較，下圖表示的是兩行星系統軌道分布的比較。Kepler-90系統的八大行星離其主星的距離全部都在地球軌道以內，這相當於是把太陽系八大行星的軌道壓縮了30倍。圖片來源：NASA/Ames Research Center/Wendy Stenzel

行星形成的「拆東牆補西牆」

「超級地球」不能在離主星很近的地方大量形成，而我們確實在離主星很近的地方發現了大量的「超級地球」。那麼問題就來了：我們觀測到的「超級地球」是怎麼形成的呢？天文學家們為此提出了各種各樣的理論模型。這些模型歸根到底可以分為兩類：一是在離主星較遠的地方把「超級地球」「組裝」好再「搬」過來，二是先把離主星較遠的物質「搬」過來再「組裝」成「超級地球」。就解釋已知的很多觀測結果來看，兩種理論各有千秋，難分高下。

然而，這兩種思路本質上都是在「拆東牆補西牆」。換句話說，無論是選擇把原來的「東牆」直接搬到「西牆」的位置，還是把用來建造「東牆」的磚瓦改用來建造「西牆」，這些理論的一個共同的潛在後果就是——「東牆」沒有了，或者說變「矮」了。對於行星系統而言，通過這種「乾坤大挪移」的方法解釋「超級地球」成因的後果就是，離主星較遠的地方應該不太可能再形成太多的行星或者較大的行星。換句話說，存在「超級地球」的系統應該不太可能再存在像太陽系木星一樣的冷巨星（cold giants）。

這似乎可以解釋為什麼我們的太陽系不存在「超級地球」：質量巨大的木星和土星搶走了可能形成「超級地球」的礦物質；另外也正是因為木星的存在，使得原本可以向內遷移形成「超級地球」的天王星和海王星被阻隔在外部。

那麼數量眾多的系外行星系統是否也是如此呢？

「東牆」事發？

既然絕大多數的「超級地球」都是由Kepler找到的，那麼一個最自然的想法就是去尋找這些擁有「超級地球」的系統是否還擁有其它較冷的行星。然而遺憾的是，這一想法並不是十分可行。原因有二，首先Kepler望遠鏡因為觀測時長以及掩食方法本身的限制，對於冷巨星的探測效率及其低下；此外，Kepler觀測的恆星普遍較暗，這導致地面上幾乎只有十米級Keck望遠鏡可以做精確的視向速度測量，並以此來尋找系統內的其它行星。因此，雖然Kepler尋找到了數千個「超級地球」，但是我們對於絕大多數「超級地球」軌道之外的世界幾乎一無所知。

即便如此，我們還是可以通過一個很小的樣本來看出一些端倪。與多倫多大學天文系的武延慶教授一起[4]，我們發現在Keck已經觀測過的20多個含有「超級地球」的Kepler行星系統裡面，三分之一含有類似太陽系裡木星一樣的冷巨星。我們在視向速度發現的另外30個「超級地球」系統裡面也得到了完全相同的結論。

作為對比，對於任意恆星，其含有冷巨星的概率只有10%。也就是說，擁有「超級地球」的行星系統更有可能同時擁有冷巨星（三分之一）。這與之前的理論預測很不一致。更令人意外的是，考慮到大約30%的恆星擁有「超級地球」，「超級地球」系統擁有的冷巨星貢獻了幾乎全部的冷巨星（1/3乘以30%=10%）。換句話說，存在冷巨星的行星系統幾乎一定存在「超級地球」。

這些結果皆表明，「超級地球」和冷巨星存在很強的正相關性，而像我們太陽系這樣存在冷巨星卻沒有「超級地球」的系統反而是極少數的特例（約1%）。這似乎也暗示了為什麼以太陽係為模板建立的行星形成模型總是一錯再錯：或許我們太陽系真的是一個特殊的存在？

TESS和Gaia的角色

?圖4：2018年4月18日發射升空的TESS望遠鏡（上）和2009年3月7號發射的Kepler望遠鏡（下）；Kepler是目前發現系外行星最多的天文設備，圖片來源：NASA

儘管「超級地球」的身世之謎困擾了學界許久，但這一問題很可能在不久的將來得到解決。2018年4月18日發射升空的TESS望遠鏡（Transiting Exoplanet Survey Satellite，掩食系外行星巡天望遠鏡）將致力於發現所有亮星附近的掩食行星（transiting planet，即會像「金星凌日」一樣從其主星表面經過的行星）。同Kepler一樣，TESS找到的大多數的掩食行星也將是「超級地球」（圖5）。

但同Kepler不一樣的是，TESS觀測的主星因距離我們比較近所以普遍比較亮，所以天文學家可以動用數量眾多的小望遠鏡而非十米口徑的Keck來精確測量「超級地球」的質量，並尋找同系統內部的其它行星。TESS將能夠提供上千個主星足夠亮的「超級地球」系統來更精確地研究「超級地球」的質量和密度分布，以及「超級地球」與冷巨星之間的相關性。這些結果都將有助於理解「超級地球」的形成之謎。

?圖5：數值模擬顯示TESS尋找到的系外行星（黃色）和Kepler尋找到的系外行星（藍色）到太陽系的距離（單位：秒差距pc；1秒差距大約是3光年）分布。黑色圓代表目前已知的非Kepler行星系統。圓的大小代表行星導致的掩食深度（transit depth）。同Kepler一樣，TESS找到的絕大多數系外行星也將是「超級地球」。但TESS找到的系外行星系統將離太陽系更近，所以主星將足夠亮，適合後續的詳細觀測。圖片來源：Zach Berta-Thompson ，數據由文獻[3]提供。

除了地面的視向速度觀測之外，歐洲航空局（ESA）的Gaia太空望遠鏡也將有能力搜尋幾乎所有的TESS「超級地球」系統裡面的冷巨星。Gaia任務本身是通過三角視差方法測量十億顆恆星的位置和距離參數，但是對於較亮的恆星，Gaia將有能力通過精確測量恆星位置的細微變動來尋找與恆星「糾纏不清」的冷巨星。

2018年4月25日，Gaia剛剛公布了前兩年的觀測結果，讓人們對恆星、銀河系等的認識得到了一個全面的提高。按照計劃，Gaia將在2022年公布最終的觀測數據，其中將包括數以萬計的系外行星。屆時只要把TESS尋找到的「超級地球」系統和Gaia尋找到的冷巨星系統聯合起來，我們將有一個足夠大的樣本來研究這兩者之間的相關性，甚至最終揭示「超級地球」的形成之謎。

從地球到「超級地球」

就像天文學研究的其它問題一樣，揭秘「超級地球」的起源和形成機制除了直接滿足天文學家的好奇心之外，還可以加深人類對於賴以生存的地球以及生命的認識。

目前天文學家認為我們太陽系的幾大岩石行星（水星、金星、地球、火星）都是在它們目前所處位置附近形成的。因為位於太陽系「雪線」（snow line，在小行星帶附近）以內，這些地方形成的行星很難獲取大量的水分。而對於出現在地球上的孕育生命的水源，目前主流觀點認為是由於各種機緣巧合由彗星和其它含水量高的小行星從「雪線」以外的地方帶來的。

如果「超級地球」是在它們目前的位置形成的，那麼這些行星極有可能同太陽系大多數岩石行星一樣乾燥，也就是不存在足夠的孕育類地生命的水分。反之，如果是在離主星較遠的地方形成然後遷移過來，「超級地球」將很可能天生「水靈靈」，從而具備孕育類地生命的一個必要條件。因此，對包括「超級地球」在內的系外行星的研究將對下一步探索系外生命提供重要的指導意義。

作者簡介

祝偉，2013年本科畢業於北大天文系，2017年博士畢業於美國俄亥俄州立大學天文系，現為加拿大多倫多大學理論天體物理研究所博士後。上圖為作者於2018年三月底於MIT與TESS望遠鏡1:1模型合影。

參考文獻：

[1]. Natalie M. Batalha, Exploring exoplanet populations with NASAs Kepler Mission, PNAS, 2014. 111 (35) 12647-12654

[2]. C. Mordasini, Y. Alibert & W. Benz. Extrasolar planet population synthesis I. Method, formation tracks, and mass-distance distribution, A&A, 501, 1139-1160 (2009)

[3]. Sullivan et al. The Transiting Exoplanet Survey Satellite: Simulations of Planet Detections and Astrophysical False Positives, ApJ, 2017, 837(1):99

[4]. Wei Zhu (CITA), Yanqin Wu, The Super Earth-Cold Jupiter Relations, Earth and Planetary Astrophysics, arXiv:1805.02660

製版編輯：Livan｜

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