超级地球可能是我们寻找外星生命的最佳选择

就在23年前，我们太阳系的行星在宇宙中是孤独的。

科学家们天真地认为，如果我们真的在其他恒星周围发现行星，这些世界看起来会……很熟悉。“我们曾以为我们会找到与我们自己形象相似的其他行星系统，”夏威夷大学的天文学家安德鲁·霍华德说。

我们大错特错了。在迄今已确认的1900多个外星行星中，我们看到了各种各样的东西，从离恒星极近的古怪巨型木星，到比海王星远几十倍的系外行星，甚至还有像《星球大战》中塔图因那样围绕两颗恒星运行的行星。

然而，也许最大的系外行星惊喜是什么？那就是超级地球。这类行星——宽泛地定义为质量高达地球10倍的任何世界——在我们的太阳系中没有任何对应物。超级地球正好介于地球和气态行星天王星与海王星之间的尺寸和质量空隙。这真是一片未知之地。

超级地球似乎也不是异常现象。令人惊讶的是，这种行星是银河系中最常见的，占我们迄今为止最大规模调查（使用开普勒空间望远镜）捕获的行星总数的约77%。麻省理工学院的观测天文学家扎克里·伯塔-汤普森说：“我们在所观察的每种恒星周围都看到了这些行星。”“显然，大自然喜欢制造它们。”

为了真正深入了解这些世界的本质，天文学家需要找到一颗凌日超级地球，这将能估算出其大小。一旦他们知道了行星的大小和质量，高中物理知识就能提供它的密度。（根据你的旧笔记：密度等于质量除以体积。）伯塔-汤普森解释说，了解一个物体的密度就像把它拿在手里，根据它的大小来估算它的重量。

他说：“在地球上，从直觉上讲，如果我想弄清楚某个东西是什么，我就会把它拿起来。”“我能说，‘这是水做的，这是木头做的，这是一个气球。’”有了密度，科学家就可以判断超级地球是蓬松的球还是实心球，是死寂的还是可能存在生命的世界。“整体密度在很大程度上能告诉你一颗行星的特性，”夏威夷大学的霍华德说。

等待在2009年结束，当时天文学家揭示了两颗超级地球的密度。第一颗名为CoRoT-7b，以观测到凌日现象的航天器命名，其质量约为地球的五倍，宽度约为地球的一倍半。推导出的密度数据证实CoRoT-7b是第一颗真正的岩石系外行星，当时被誉为已知最像地球的行星，尽管由于其与恒星的炽热距离，其表面必定是熔融的。

第二颗行星，一个名为GJ 1214 b的轻量级行星，仍然是研究最多的超级地球。摆动转向了另一边。“我们在我读研究生第一年时发现了它，”伯塔-汤普森回忆道，他曾因普林斯顿大学的物理课程而感到气馁，差点转为艺术史专业。“我们刚开始这个项目，我就想，‘哇，我们正在发现行星！’”GJ 1214 b的数据记录：约地球宽度的五倍，质量是地球的六倍半，密度比CoRoT-7b低数倍。这个蓬松的世界可能拥有巨大的气态大气层，也许充满了炽热的水蒸气。

在过去的几年里，大量的研究开始揭示这些前所未有的行星的面貌。而呈现出的画面令人惊叹。这类行星是行星界的星巴克——随处可见，变化无穷。我们认为，有些是气态球体，更适合被描述为迷你海王星。另一方面，固态岩石超级地球可能完全被海洋或熔岩覆盖。超级地球的内部可能含有悖论般炽热的超压缩冰，或者被压成钻石的碳层所点缀。抛开冰和钻石不谈，一些超级地球可能就是：超大号的地球，至少从表面上看，与我们自己的蓝色星球几乎没有区别。

后一种可能性更加令人心潮澎湃，因为超级地球将是我们首次能够通过望远镜探测外星生命的行星。那些普通的地球大小的行星，尽管现在已经开始零星地进入我们的系外行星目录，但在未来几年内，对于我们的望远镜来说，仍然太小，无法进行详细研究。因此，正在进行的研究深入探讨超级地球，从云层顶部到核心，以查明它们是否具备生命存在的条件。

“超级地球可能和地球一样好[适合生命]，甚至更好，”马萨诸塞州剑桥哈佛生命起源计划主任迪米塔尔·萨塞洛夫说。“超级地球作为一个家族，是我们应该寻找有生命行星的地方。”

奇特新世界

超级地球新发现的意义是讽刺的，因为这些世界从一开始就一直在我们眼皮底下。最早的系外行星，于1992年被发现，就是这类行星的成员，尽管它们不围绕一颗正常的恒星运行。相反，它们绕着一颗脉冲星运行，这颗脉冲星是巨大恒星超新星爆发后留下的城市大小的残骸，并发出辐射束。脉冲星PSR B1257+12发出的辐射束中的差异表明存在两个干扰体——行星？——每个质量约为地球的三倍。

这一发现震惊了研究人员，包括萨塞洛夫，他在保加利亚通过后院望远镜凝视木星的卫星长大。“我们都在想，‘这些是什么奇怪的东西？’”他说。

科学家们仍在争论脉冲星行星的起源，而且当时很少有人认真对待这些怪异的“准行星”。真正的系外行星淘金热直到1995年才开始，当时发现了一颗所谓的“热木星”，它以极近的轨道围绕着一颗典型的类太阳恒星运行。终于，一颗（相对）看起来正常的行星！

受到鼓舞，天文学家开始规划行星捕获任务，该任务在14年后作为开普勒望远镜发射。在开普勒望远镜的第一次运行中，由于2013年春季的部件故障而中断，它耐心地凝视着15万颗恒星，寻找行星掠过恒星表面时最微小的闪烁——所谓的“凌日”现象。这些凌日现象不仅揭示了系外行星的存在，而且根据行星遮挡了多少星光，还能揭示其大小。

1999年，萨塞洛夫在撰写开普勒望远镜提案时，想知道我们是否会发现更大版本的地球。由于没有更好的词，他脱口而出“超级地球”。“我当时说，‘我不一定想用这个词，所以如果你有更好的选择……’”萨塞洛夫回忆道。“但人们开始使用它，现在它已经根深蒂固了。”

然而，在此后的几年里，即使大量热木星被发现，超级地球仍然难以捉摸。尽管如此，萨塞洛夫、他的学生戴安娜·瓦伦西亚和他们的同事理查德·奥康奈尔还是冒险尝试。2004年，他们提交了一篇论文，推测理论超级地球的内部结构。这些概念闻所未闻，以至于期刊编辑难以找到具有相关专业知识的同行评审员。

一年后，这些摸索性的研究获得了回报，研究人员证明超级地球不仅仅是脉冲星周围的一种奇特现象。此前对典型恒星格利泽876的仔细研究已经发现了两颗木星大小的伴星，进一步的研究又揭示了第三个天体，命名为格利泽876 d，其质量约为地球的7.5倍——这是当时已知的质量最小的系外行星。

“格利泽876 d真的是一个重要的门槛事件，”萨塞洛夫说。他与奥康奈尔和瓦伦西亚合著的长期处于停滞状态的内部结构论文终于在2006年发表在《伊卡洛斯》杂志上，超级地球科学由此诞生。

对于瓦伦西亚来说，这一发现来得正是时候。她是一位来自哥伦比亚的物理学家，被超级地球的想法深深吸引，但“没有数据，”瓦伦西亚说，她现在是多伦多大学士嘉堡分校的物理学助理教授。一位同事“取笑我说我在研究想象中的行星。”为了寻找一个潜在的备用计划，瓦伦西亚在壳牌石油公司参加了一个夏季地震学实习。她原本计划回到哈佛，但格利泽876 d的发现让她下定决心。她离开了石油行业，回到了她的激情所在，再也没有回头。“我很幸运，”瓦伦西亚说，“群星闪耀。”

你是什么？

瓦伦西亚的兴奋被证明是合理的，因为兴奋的行星搜寻者们不断增加超级地球的数量。然而，在几年内，科学家们除了它们的质量之外，对这些世界一无所知。由于太阳系中没有直接的类似物，没有人能猜测这些新奇的行星主要是岩石（像地球一样）、气态（像海王星一样）、介于两者之间（水世界？）还是上述所有情况。“这是我们关于超级地球的第一个大问题，”麻省理工学院的伯塔-汤普森说，“它们到底是由什么组成的？”

为了真正深入了解这些世界的本质，天文学家需要找到一颗凌日超级地球，这将能估算出其大小。一旦他们知道了行星的大小和质量，高中物理知识就能提供它的密度。（根据你的旧笔记：密度等于质量除以体积。）伯塔-汤普森解释说，了解一个物体的密度就像把它拿在手里，根据它的大小来估算它的重量。

他说：“在地球上，从直觉上讲，如果我想弄清楚某个东西是什么，我就会把它拿起来。”“我能说，‘这是水做的，这是木头做的，这是一个气球。’”有了密度，科学家就可以判断超级地球是蓬松的球还是实心球，是死寂的还是可能存在生命的世界。“整体密度在很大程度上能告诉你一颗行星的特性，”夏威夷大学的霍华德说。

等待在2009年结束，当时天文学家揭示了两颗超级地球的密度。第一颗名为CoRoT-7b，以观测到凌日现象的航天器命名，其质量约为地球的五倍，宽度约为地球的一倍半。推导出的密度数据证实CoRoT-7b是第一颗真正的岩石系外行星，当时被誉为已知最像地球的行星，尽管由于其与恒星的炽热距离，其表面必定是熔融的。

第二颗行星，一个名为GJ 1214 b的轻量级行星，仍然是研究最多的超级地球。摆动转向了另一边。“我们在我读研究生第一年时发现了它，”伯塔-汤普森回忆道，他曾因普林斯顿大学的物理课程而感到气馁，差点转为艺术史专业。“我们刚开始这个项目，我就想，‘哇，我们正在发现行星！’”GJ 1214 b的数据记录：约地球宽度的五倍，质量是地球的六倍半，密度比CoRoT-7b低数倍。这个蓬松的世界可能拥有巨大的气态大气层，也许充满了炽热的水蒸气。

开普勒近期发现的超级地球证实了这些发现，并明确了超级地球何时会变成没有生命的迷你海王星。霍华德去年共同发表的一项研究，使已知密度的超级地球数量增加到大约四十颗。加州理工学院的莱斯利·罗杰斯在2014年晚些时候进行的一项研究得出结论，一个良好的岩石截止点是地球宽度的3.2倍。低于这个尺寸的行星，其密度相对于其大小而言较高，很可能是岩石行星。达到或超过这个数字时，尽管行星尺寸更大，但密度开始下降。较轻的物质——例如水、冰和气体而非岩石——必须占据这些更大、密度更低的超级地球越来越大的体积份额。

那里的空气

当然，将一个世界归类为岩石或气态只是评估它是否能成为生命家园的第一步。天文学家现在正在采取下一步，直接研究超级地球的大气层。在凌日过程中，来自主恒星的光线穿过系外行星的大气层，然后被行星不透明的主体遮蔽。根据到达我们的光线的颜色，科学家可以探测到特定分子的“指纹”。有了足够的数据，他们理论上可以重建大气层的整体构成。他们观察到的气体数量和种类不仅为超级地球是否能支持生命提供了线索，而且还为生命是否已经存在提供了线索。

到目前为止，水蒸气、二氧化碳和甲烷等令人兴奋的发现主要出现在超木星的巨大大气层中，这些行星和超级地球一样，是我们熟悉的世界的巨型版本。岩石超级地球的大气层要小得多，这意味着到达我们望远镜的光线更少。哈勃和斯皮策空间望远镜迄今为止的结果确实令人不满意。从附近的GJ 1214 b和另一颗超级地球HD 97658b零星收集到的光线缺乏特定分子的指纹。

但对这些看似无趣的读数的解释却引人深思：这些世界可能被云层覆盖，就像金星一样。高高的云层显然阻挡了光线从它们大气层中较低的单个分子处到达，使得识别它们变得更加困难。天文学家仍在努力解开云层的特征。总的来说，这对未来来说是一次很好的实践：解析系外行星大气层的分子构成实际上将是下一代望远镜的主要目标，例如哈勃和斯皮策的继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜，定于2018年发射。

在JWST投入工作之前，天文学家希望确保他们能够理解它将收集的数据。幸运的是，超级地球科学的第一个十年已经看到了大量的地球物理模型制作，模拟了“类固醇”地球的内部机制。

深入了解超级地球的“皮肤”

决定岩石超级地球地球物理学最关键的问题是其固有的“强壮”。所有额外的质量都会产生远远超过地球挤压的内部压力，这对三个对生命至关重要的行星特性产生影响：海洋的维持、气候“恒温器”和磁场。

这三种现象都与行星内部发生的事情有关。以地球为例。随着这个初生的世界在数亿年间从最初的熔融状态冷却下来，它的最外层凝固成地壳。然后，地壳破裂成板块，这些板块在温暖、密度更大的地幔区域上碰撞和摩擦，地幔区域包围着一个密度更大、熔融的金属层。所有这些之下隐藏着一个固态的铁核。从这个区域喷涌而出的热量搅动着地幔，就像一个冒泡的火锅。地壳板块相互俯冲，重新沉入地幔（引发地震）并融化。同样，海水以足够的速度在地球地幔中循环，从而使我们的全球海洋得以维持亿万年。岩石和水都通过板块之间的火山裂缝返回地球表面，使这个循环得以持续。

到目前为止，一切都以地球为中心。那超级地球呢？首先谈论海洋问题，萨塞洛夫今年早些时候参与合著的一项研究中的超级地球地质模型发现，是的，超级地球可以是巨大的蓝色星球。它们应该能够像地球一样，甚至比地球更好地，将海洋保存数十亿年，这归因于足够的地幔水循环。

这种由板块构造促成的循环，也影响着超级地球在漫长时期内是否能拥有宜居气候。这里的关键是二氧化碳，一种温室气体，能有效阻止热量散逸到太空中。岩石和海水都能吸收大气中的二氧化碳，将这种捕获热量的碳隔离起来，从而使行星冷却。当这些地表物质循环进入地幔时，碳会转化回二氧化碳气体，并通过火山返回大气层，这是一个自我调节的过程：当大气中的二氧化碳水平升高时，更多的气体会被岩石和水吸收，从而抑制行星的字面意义上的升温程度。然而，当较低的二氧化碳水平普遍存在时，碳封存就会减少，从而防止行星冷却过深。结果是：地球自我调节其全球温度。

超级地球也拥有这个恒温器吗？2007年10月，瓦伦西亚和她的哈佛同事发表了一篇论文，理论上认为超级地球拥有更活跃的板块构造。更高的内部热量应该总体上产生更快的对流——那种像火锅一样的地幔循环。瓦伦西亚说：“对流更剧烈，作用力更大，所以似乎比地球更容易发生板块构造。”这种“超级”构造将控制大气中的碳水平，这意味着这些世界的气候比地球更稳定。然而，同年同月，另一篇论文提出了相反的观点：超级地球更强的引力占主导地位，并首先阻止地壳分裂成独立的板块。因此，没有板块构造，很可能也没有生命。八年后，这个问题仍未解决，随后的研究支持两种结论，尽管瓦伦西亚指出，更多的研究人员认为板块构造是可能的。

另一个关于超级地球宜居性的大问号，源于行星内部，是磁场的存在。地球的磁场偏转了大部分可能已终结任何新生生命的太阳辐射。我们星球内部液态铁层的晃动产生了这种防护罩。然而，超级地球中更高的压力会导致更高的熔化温度。根据2011年的一项研究，行星内部可能保持固态，而不会像地球那样分层。没有液态金属层意味着没有磁场，也就没有生命。

但同年的一项独立研究指出另一种可能性：更高的热量可能会熔化氧化镁，这是一种常用于陶瓷的常见矿物，预计在超级地球中也会大量存在。这种矿物在液化和搅动时，可能会产生磁场。

显然，我们需要更好地了解超级地球的内部运作，以评估其宜居性，而萨塞洛夫的研究小组继续通过计算机模拟探索可能性。“我们不仅仅是在为更大的行星运行类地内部，”他说，“这涉及一些非常有趣的新物理学。”正在进行的新论文还将描绘超级地球内部如何影响可检测气体释放到大气中。举例来说，了解超级地球大气中的二氧化碳丰度将有助于天文学家判断它是一个温和的地方，还是更像金星，金星浓厚的二氧化碳大气层与其接近太阳的位置共同作用，将其表面温度升高到900华氏度。

生命的迹象

宜居气候的理论和模型是一回事，但萨塞洛夫和他的同事们最终寻求的是更大的目标：外星生命的实际证据。为了找到这些，他们需要找出气体组合，即生物特征，这些气体组合只能由生命产生。一个常见的例子是大量氧气存在下的甲烷，就像地球大气层中一样。通常，氧气会迅速分解甲烷，甲烷也会渗入岩石（像二氧化碳一样），因此这两种气体要在大气中持续存在，必须有某种东西——很可能是生物的——不断地将它们注入其中。

“这是一个瑰宝般的想法，即生命可以深刻地影响系外行星的大气层，”伯塔-汤普森说，“这与我们知道如何研究数十光年之外行星大气层的事实相结合时，是如此引人入胜。”

通过了解哪些超级地球是岩石质的，并且具备有利于生命的地球物理条件，天文学家可以为下一代仪器选择理想的生物特征研究目标。“目标”正是2017年发射并由麻省理工学院主导的凌日系外行星巡天卫星 (TESS) 的名称。TESS将聚焦于凌日附近明亮恒星的系外行星——这些行星最容易研究。TESS预期会发现的大量行星中，可能有20颗是位于“宜居带”内的超级地球级别行星。这是距离恒星不冷不热的轨道距离，生命有机会存在。“TESS将是令人难以置信的新行星的消防水带，”霍华德说，“它将是一台伟大的机器。”同时，JWST将专注于TESS和其他调查确定的最佳候选者。2020年代首次亮相时，新的、巨大的地面天文台，其镜面直径达100英尺（几乎是当今最大望远镜的四倍），也将加入这场盛宴。

伯塔-汤普森迫不及待。“即使这些望远镜没有告诉我们，‘这是一个被绿色黏液覆盖的行星，’它们也会大大推动我们朝着在其他行星上寻找生命的最终目标前进，”他说。“我的妻子是一名微生物学家。她研究海洋中的光合微生物。我希望到我们职业生涯结束时，我们能从事同一个领域的工作。”

如果系外行星探索的历史有任何借鉴意义，那么当我们深入研究超级地球时，也应该期待大量的惊喜。瓦伦西亚说：“大自然比我们更有想象力。”“这些行星真正证明了这一点。”

[本文最初以“超级地球”的形式刊载于纸质版。]