超級地球：奇異新世界

許天源

早前，科學(xué)家們天真地認(rèn)為，如果我們發(fā)現(xiàn)其它圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，這些新行星應(yīng)該跟我們太陽系內(nèi)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(fā)現(xiàn)的1900多顆（數(shù)字還在增加中）系外行星，許多與我們太陽系內(nèi)行星很不一樣，比方說2011年發(fā)現(xiàn)了圍繞兩顆恒星運(yùn)行的行星。它就像是科幻電影《星球大戰(zhàn)》中，圍繞雙星運(yùn)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(xué)的新發(fā)現(xiàn)，讓科幻故事變?yōu)橛|手可及的現(xiàn)實(shí)。

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(huán)境可能與地球類似，而質(zhì)量通常為地球1到10倍的行星。

1992年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)系外行星，而且一次就發(fā)現(xiàn)了兩顆，它們每一顆幾乎都是地球質(zhì)量的3倍，一般來說，行星都會繞著恒星來運(yùn)轉(zhuǎn)，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?yàn)樗鼈兪抢@著一顆叫做PSR B1257+12的脈沖星（位于室女座，距離地球大約980光年）運(yùn)轉(zhuǎn)。

這個發(fā)現(xiàn)令研究人員目瞪口呆，因?yàn)楫?dāng)時天文學(xué)家一般認(rèn)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沖星周圍找到的，為什么有這么奇怪的事情？

直到1995年，天文學(xué)家在一顆典型的類日恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆所謂的“熱木星”（即公轉(zhuǎn)軌道極為接近其母恒星的類木行星），才輕舒一口氣。這個星球的發(fā)現(xiàn)，使天文學(xué)家們受到鼓舞，并開始計(jì)劃尋找系外超級地球的“獵星任務(wù)”。

2009年，專門用于探測系外行星的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡升空之后，掃描了其視野范圍內(nèi)的15萬顆恒星。從此，發(fā)現(xiàn)超級地球的喜訊就不斷傳來，太空望遠(yuǎn)鏡得到的一系列圖片令人驚奇：它們有的是氣態(tài)的球體，更像是迷你海王星；有的則是巖石類的超級地球，可以完全被海水或熔巖覆蓋。

密度很重要

欣喜若狂的行星獵人們發(fā)現(xiàn)了更多的星球，并添加到超級地球的名單中。然而直到現(xiàn)在，除了它們的質(zhì)量，科學(xué)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于巖石類的（類似于地球）、氣態(tài)的（類似于海王星），或者介于兩者之間？又或者以上的類型都有涉及？

因此，關(guān)于超級地球的第一個大問題是：它們由什么構(gòu)成？想要深入了解行星的基本物質(zhì)，天文學(xué)家需要找到一個“凌日”——即行星經(jīng)過主恒星時，遮擋了主恒星的部分光線，從而讓我們可以估算行星的大小。一旦天文學(xué)家知道了某顆行星的大小和質(zhì)量，根據(jù)高中所學(xué)的物理，我們就能算出該行星的密度（密度等于質(zhì)量除以體積）。有了密度，科學(xué)家就可以判斷超級地球?yàn)樗缮⑶蜻€是實(shí)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(guān)于星球的特征。

尋找系外行星“凌日”的過程并不容易，但這樣的等待，終于在2009年有了進(jìn)展，那一年天文學(xué)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，后來被命名為CoRoT-7b，它的直徑大約是地球的1.5倍，質(zhì)量則是地球的5倍。這意味著CoRoT-7b是第一顆被發(fā)現(xiàn)的系外巖石行星，不過它跟它的母恒星距離特別接近，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(zhì)量只有地球的6.5倍，密度遠(yuǎn)小于之前發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的飽含液態(tài)水的行星，但與此并存的卻是常年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(huán)境也許并不適合地球形態(tài)的生命存在，但有可能發(fā)現(xiàn)其他形態(tài)的生命。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，已知密度的超級地球數(shù)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，很可能是巖石行星；而當(dāng)直徑超過地球直徑的3.2倍時，行星的密度會開始下降，那么就可能是由較輕的物體，如水、冰和氣體等組成的氣態(tài)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(xué)家下一步的研究目標(biāo)。

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后，一些波段的光會被特定的大氣分子吸收。這時科學(xué)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(shù)據(jù)，科學(xué)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(shè)能觀察到氣體的組成成分，那么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(jīng)存在于超級地球上？因?yàn)楦鶕?jù)大氣中有什么樣的氣體，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(fā)現(xiàn)，其中就包括了“超級木星”的大氣組成?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)“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(jìn)展之中。

但是太空望遠(yuǎn)鏡對巖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(fā)現(xiàn)的特定分子的數(shù)量很少。天文學(xué)家給出的解釋是，這兩個星球可能像金星一樣，被云氣包裹住了，厚云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(xué)家仍在努力解開云層的特征?？偟膩碚f，系外行星大氣的分子結(jié)構(gòu)，將是下一代望遠(yuǎn)鏡（韋伯太空望遠(yuǎn)鏡）的主要目標(biāo)。

判斷宜居的3個屬性

對于一顆巖石類超級地球來說，是否適合生命居住，涉及到3個與生命攸關(guān)的行星屬性：海洋的調(diào)節(jié)、氣候“空調(diào)器”、磁場。

以地球?yàn)槔?，在其從熔融狀態(tài)開始冷卻的最初幾億年的時間里，其最外層固化成為地殼，然后分裂成板塊，這些板塊在一個熾熱、高密度的地幔區(qū)域上面，相互碰撞和磨碎，而在它們之下藏著一個堅(jiān)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沖，重新跑到地幔中（觸發(fā)地震），接著被熔化掉，同樣地，海水也通過地幔來循環(huán)，如此持續(xù)了億萬年時間。通過地球板塊之間的火山裂縫，巖石和水返回地球的表面，這樣周而復(fù)始地運(yùn)作。

那么，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(lán)色行星，它們保留的海洋已經(jīng)有數(shù)十億年，可能與地球上的海洋一樣，甚至更好，因?yàn)槌壍厍蚩赡軙谐渥愕乃?，供?yīng)給地幔循環(huán)利用。而地幔循環(huán)啟動了星球的板塊運(yùn)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(guān)鍵點(diǎn)，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，巖石和海水吸收大氣中的二氧化碳，并封存起來，而二氧化碳的減少，就說明熱量減少，那么星球就會冷卻下來。由于巖石和海水這些地表物質(zhì)會進(jìn)入地幔，碳就會被轉(zhuǎn)換回二氧化碳?xì)怏w，并通過火山噴發(fā)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(huán)的最終結(jié)果就是：地球能自我調(diào)節(jié)溫度。

那么，超級地球也擁有這個“溫度自動調(diào)節(jié)器”嗎？2007年就有一項(xiàng)研究，表明了超級地球有較高的內(nèi)部熱量，能產(chǎn)生更快的對流，類似于地球地幔環(huán)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(chuàng)造出板塊構(gòu)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(diǎn)：在超級地球上，引力占主導(dǎo)地位，地殼上的不同板塊就會被引力牢牢固定住，而不能產(chǎn)生板塊漂移和碰撞。沒有了板塊活動，二氧化碳就不能內(nèi)外循環(huán)，就沒有“溫度自動調(diào)節(jié)器”功能，這樣的話，生命就很難誕生了。隨后的研究都各自支持這兩種觀點(diǎn)，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(nèi)部需要一個磁場。假設(shè)地球沒有磁場來抵擋太陽風(fēng)的沖擊，生命即使出現(xiàn)也難以立足，但我們地球內(nèi)部晃動的液態(tài)鐵層，會產(chǎn)生磁場這個“盾牌”，保護(hù)著生命。

根據(jù)一項(xiàng)研究，超級地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能是固體，而不是像地球一樣有不同層次。沒有液態(tài)金屬層，就相當(dāng)于沒有磁場，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(nèi)部的高熱量可能會融化氧化鎂，當(dāng)這種礦物液化和翻騰后，就可以產(chǎn)生磁場。

顯然，我們還是需要更好地掌握超級地球的內(nèi)部運(yùn)作，進(jìn)一步研究它們是否宜居。

星際移民或成現(xiàn)實(shí)

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超級地球還只是冰山一角，隨著現(xiàn)代觀測手段的進(jìn)步和新一代技術(shù)革新，發(fā)現(xiàn)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恒星公轉(zhuǎn)、并且適宜人類居住的行星。而一旦發(fā)現(xiàn)了這樣的行星，星際移民也可能會變成現(xiàn)實(shí)。

2015年，英國學(xué)者確認(rèn)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(fā)現(xiàn)的第一個位于宜居帶中的行星，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(xué)家認(rèn)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(wèi)星（TESS）”，將于2017年由美國麻省理工學(xué)院負(fù)責(zé)發(fā)射，主要搜索距離太陽系較近的明亮恒星，看看能不能發(fā)現(xiàn)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。