互动科普

想象这样一个场景 ：在某个晴朗的夏夜，你仰望星空，朝某颗 恒星所在的方向看去——你已经听说，有一颗特殊的行星围 绕着它旋转。尽管实际上你不可能看到这颗行星，就连那颗恒星也 只是隐约可见，不过你知道这颗行星比地球大不了几倍，而且跟地 球一样主要由岩石构成。那里的“地表”大都被海洋覆盖，时常会 被“地震”撼动。那里的大气跟我们呼吸的地球大气也差别不大， 天空频频受到暴风雨的洗礼，时而又会被火山灰染成一片黑暗。最 重要的是，你知道科学家认为那里可能孕育着生命，也知道他们正 计划寻找证据来证明这一点。

未来 10 年内，这个场景就有可能变为现实。迄今为止，天文 学家已经在太阳系外发现了 470 多颗行星，尽管其中绝大多数都是 类似于木星的巨行星，但一些跟地球相差不太大的行星也开始陆续 被发现。美国航空航天局（NASA）的开普勒空间天文台（Kepler space observatory）2009 年也已发射升空，这个专为搜寻外星行 星而设计建造的探测器，将发现更多类似于地球的行星。

当然了，这些行星都远在许多光年之外，因此哪怕用最先进的 观测设备，我们也看不见它们表面的山脉、云层和火山等细节，或 许永远都不可能看见。通常情况下，即便征用所有的望远镜，天文 观测能够做到的，也只是检测外星行星（exoplanet）存在的 间接信号，并帮助我们估计它的质量及轨道半径。在某 些情况下，望远镜观测还能提供更多信息，包括这 颗行星的直径大小，或许还有少量其他细节—— 对于外星巨行星来说，这些细节或许有助于 推测那里的大气成分和大气运动。 这样的观测水平，跟“有能力” 测量外星行星的地质、化学或其 他任何具体特征相比，还相去 甚远。

不过，根据观测到的 区区几个数据，利用理论 模型、计算机模拟，甚至实验室实验，再结合已知的地球及太阳系 其他行星的相关知识，科学家就能推理出这 些遥远行星复杂到惊人的面貌。 我们已经为物质构成类似于地球的外星 行星建立了一些模型，发现哪怕这样的行星 质量比地球大得多，也应该具有活跃的地质 活动，拥有适宜生命生存的大气和气候。事 实上，我们已经了解到，地球的质量在适宜 生命生存的行星里或许算是最小的。换句话 说，如果地球再小一点，或许它就会像火星 和金星一样，变成一个没有生命的星球。

超级地球现身

发现有潜力孕育生命的行星，是本文 两位作者的共同梦想，也是令我们的科研生 涯交织在一起的最初原因。年长的萨塞洛夫 是在 10 年前因缘际会进入这一领域的。20 世纪 90 年代中期，最早一批太阳系外行星 （extrasolar planet）已被发现，采用的方法 大都是“摆动”法，即通过行星施加在母星上的引力效应来检测它们的存在。行星的引 力会拉扯它们的母星，使这颗恒星沿不断改 变的方向加速——这种加速是能够检测到的， 会在我们接收到的这颗恒星的星光光谱中产 生一个频移。

起初，一些心存疑虑的科学家怀疑，这 些摆动（wobble）有可能是恒星自身某些物 理过程的结果，而不是行星围绕它旋转所致。 正是这个问题，把萨塞洛夫拖进了外星行星 研究领域。他是一位天体物理学家，也是一 位恒星专家，当时的专业领域是亮度表现出 周期性变化的恒星。在萨塞洛夫的协助下， 摆动问题最终定论 ：这些摆动确实是由行星 导致的。从此，天体物理学家有了一件搜寻 外星行星的利器。 萨塞洛夫当时加入了一个科学家团队， 共同提议建造开普勒空间天文台来寻找外星 行星。这个探测器最终于 2009 年发射升空。 它被设计用于监测恒星亮度的微弱变暗，变 暗过程通常会持续几个小时——如果这种变 暗每隔一段时间就出现一次，就表明有一颗 行星围绕着这颗恒星旋转，并且周期性地 从恒星前方经过。

这种现象被称为“凌星” （transit），这样的行星被称为“凌星行星” （transiting planet）。这台空间望远镜指向了 天鹅座（Cygnus）附近一大块特定的天区。 它配备的广角数码相机正在对大约 15 万颗 恒星展开持续 3 年连续不断的监测。一旦开 普勒积累到了持续时间足够久的观测数据， 科学家预期它将发现数百颗前所未知的行星， 其中一些可能跟地球差不多大。

在规划这项探测任务之初，萨塞洛夫就 意识到，尽管开普勒能够收集到大量信息， 科学家却不一定知道如何才能充分利用这些 信息。他惊讶地发现，此前没有任何人尝试 过要给大型类地行星上的地质过程建立模 型。因此，他与美国哈佛大学研究地球内部 动力学的专家理查德·奥康奈尔（Richard O’Connell）展开了合作研究。 当时，本文另一位作者巴伦西亚已经在 哈佛大学攻读地球物理学博士学位，她原本 打算主修地震学，恰好选了奥康奈尔讲授的 一门地球动力学课程。在与萨塞洛夫进行一 番讨论之后，奥康奈尔在课堂上要求学生们 思考一个问题 ：如果地球的质量再大一些， 大小会发生怎样的改变。增强的引力会把地 球向内压缩多少？这些问题令巴伦西亚着迷， 她的研究方向也因此发生了改变。 在太阳系里，地球是最大的岩态行星 （rocky planet），或者说类地行星（terrestrial planet），因此科学家习惯上不会去考虑物质 构成与地球类似、质量却要大上好几倍的所 谓“超级地球”（super-Earth）。

这是一个全 新的研究领域，以至于 2004 年我们的第一 篇有关“超级地球”的研究论文投稿时，学 术期刊编辑花了差不多一年时间才找到了专 业对口的科学家来审稿。事实上，许多行星 科学家最初都对我们选择这样一个研究课题 深感困惑。 当时已发现的外星行星全都是木星级别 的气态巨行星，一颗超级地球都没有。为什 么有人要去研究或许并不存在的行星呢？短短几个月之后，也就是 2005 年，我们的努 力被证明是值得的。利用摆动法，美国加利 福尼亚大学圣克鲁兹分校的欧亨尼奥·里韦 拉（Eugenio Rivera）及其同事，在宝瓶座 （Aquarius）中的恒星 Gliese 876 周围发现 了一颗行星——这是人类发现的第一颗超级 地球。 我们知道，这颗被命名为 GJ 876d 的行 星围绕它的“太阳”旋转一周只需要短短 2 天， 它的质量大约是地球的 7.5 倍。

不过，这几 乎就是我们对这颗行星所知的全部了。确切 地说，我们没有办法确定 GJ 876d 的平均密 度（也就是质量除以体积），也就无从猜测它 的物质构成，因为我们无法测量它有多大。 不过，凌星现象能够揭露凌星行星的大小： 行星遮挡母星星光导致恒星亮度下降的幅度， 可以告诉我们行星的直径有多大 ；再去测量 恒星的摆动，我们就能同时了解这颗行星的 质量和直径，从而计算出它的平均密度。如 果密度较大，类似于岩石，这颗行星就有可 能是一颗岩态行星。

正是利用这种凌星法，2009 年初，天 文学家利用法国的科罗空间望远镜（CoRoT space telescope，开普勒空间天文台的小口 径“前辈”），发现了第一颗凌星超级地球—— CoRoT-7b。这颗行星密度足够高，毫无疑 问由岩石构成。它的轨道距离母星极近，那 里的一“年”还没有地球上的一“天”长， 因此这颗行星朝向母星的那一面必定永久处 在熔融状态。（距离母星极近的行星会被母 星的引力潮汐力锁定，以至于永远都以同一 面对着母星，就像月球总以同一面对着地球 一样。）仅仅 10 个月之后，美国哈佛－史 密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的达维德·沙博诺 （David Charbonneau）领导的一个地面观测 项目发现了第二颗凌星超级地球。这颗名为 GJ1214b 的行星有些不同寻常，因为它的密 度更接近于水而非岩石，表明它必定拥有一 个厚厚的气体包层。 这两颗行星没有一颗跟地球有任何相似 之处。我们想要寻找像地球一样适宜生命生 存的行星，结果却好像找到了两个怪物。其 他稀奇古怪的行星也可能会接踵而至。比如 说，在含碳特别丰富的恒星周围，固态行星 可能不会像我们太阳系里的类地行星这样主 要由硅氧化合物构成，而是由硅碳化合物构 成。

这类行星应该跟地球有着天壤之别，它们内部的主要构成物质可能是碳压缩成的钻 石。 不过，由于大多数“太阳系”都跟我们 的太阳系一样，拥有类似的成分，科学家预 期大多数超级地球的物质构成应该跟地球相 似——主要由硅、氧、镁，外加铁和少量其 他元素构成，通常还含有大量的水。过不了 多久，我们就会发现许许多多这样的行星， 因此尝试去更多地了解它们是值得的，不妨 先从它们内部的物理性质入手。

超级地球的地心旅行

超级地球应该可以分成两大类，具体取 决于它们形成在各自“太阳系”中的什么位 置。如果形成时距离母星足够远，那些行星 就会横扫新生恒星周围的大量原始冰粒，这 些水在这些行星中最终所占的质量比会远远 超过我们太阳系中类地行星的水含量。相反， 如果形成时距离母星较近，那里太热，不会 有冰存在，这些行星最终就会比较干燥，正 如地球及我们太阳系中的其他类地行星一样。

岩态行星最初应该是一团炽热的熔融态 混合物，随即通过向太空中辐射热量而开始 冷却。铁基和硅基晶体会从不断凝固的岩浆 中形成。一部分铁不会与其他元素合成矿物 质，具体数量取决于氧含量的多少。这些铁 会保持液态，并由于密度较大而沉入中心。 接下来就像地球一样，这颗行星会形成洋葱 那样的结构，拥有一个铁核，还有一个以硅 酸盐为主的地幔。 比地球更大的行星，光是地核就与地球 大小的行星有所不同。在地球内部，地核经 过数十亿年的冷却，中心部分已经凝固，而 外核仍然是液态，这样便搅起了对流。外核 中的这种对流被认为是产生地磁场的“发电 机”。 行星越大，地核中存在的压力也就越大。 按照最近的理论计算，在如此大的压力下， 铁甚至可以在 10 000 K 的高温下仍然保持固 态。行星地核的温度可能只有在行星还非常 年轻时才会高于这一温度。只要稍稍冷却一 下，超级地球的地核就足以凝固。

因此，一 个典型的超级地球很可能拥有一个完全固态 的铁核，没有全球磁场。在地球上，磁场保护我们不受太阳风和宇宙线的伤害，尤其是 在陆地上。不过，我们并不能确定，磁场是 不是适宜生命生存所必需的要素。 一颗富含水的行星，可能会演变出更让 我们摸不着头脑的陌生特征。这颗行星上可 能会形成一个厚厚的水层—— 一个覆盖全 球的海洋。海洋深处还会发生一些离奇的事 情。水可以冻结成冰，也可以压缩成冰。因 此，在这颗行星的硅酸盐地幔之上，可能会 形成另一层固态地幔，主要由炽热发光的冰 块构成。这些冰块当然不是普通的冰，而是 被命名为“冰Ⅶ”、“冰Ⅹ”和“冰Ⅺ”的晶体。 迄今为止，这些“冰”只在实验室里被人观 察到过。 无论一颗超级地球是否富含水分，由于 质量更大，它的内部都会受到难以想象巨大 压力的压缩。

因此，与物质构成相同的行星 相比，质量越大的行星密度也就越大。在这 样的极端环境下，坚硬的岩石物质会变得比 地球内部的物质更硬，或许会比钻石还要坚 硬。地球物质在这样的极端高压下会有什么 样的性质？在这一前沿领域，科学家同样双 管齐下，利用理论模型和实验室实验来更好 地理解超级地球。 科学家近年来已经发现了地球内部一种 前所未知的矿物晶体结构排列方式，被称为 后钙钛矿（postperovskite，参见《环球科学》 2010 年第 7 期《地心深处的生命保护伞》一 文）。尽管这种矿物在地球地幔中只占到了极 小的一部分，在超级地球的地幔里却会成为 主要成分。理论暗示可能还会有更加致密的 晶体结构排列方式，不过实验还没有证实它 的存在。 对一颗行星的结构以及各个圈层的物质 构成有所了解之后，我们才算做完了一半。 接下来要做的，就是了解行星结构的动力学 过程，或者了解行星结构动力学过程的缺乏。

换句话说，就是要弄清楚这颗行星在地质上 是像地球这样活跃，还是像火星那样几乎一 片死寂。 在地球上，地幔对流为大多数地质过程 提供了动力。在构成地表的板块之下，地幔 在不停地搅动，将内部的热量携带到地表， 冷却后再沉入内部，就像一锅烧开的水那样 对流翻滚。这些热量一部分是地球形成时遗 留下来的，另一部分则来源于地幔中放射性 元素的衰变。我们推测，岩态超级地球拥有 的放射性热源的含量与地球类似，至少铀和钍是少不了的，因为这些元素均匀分布在整 个银河系中，很容易在行星形成时被它们收 入囊中。因此，比地球更大、拥有放射性物 质的绝对数量更多的超级地球会产生更多的 内部热量，而这些热量又会使超级地球地幔 中的对流变得更加精力充沛。

最佳不动产

强劲有力的对流会带来几个后果，最终 将影响到这颗行星是否适宜生命生存。一个 或许有些出人意料的后果是，越大的行星拥 有的板块反而应该越薄。地幔对流在地面上 表现为板块构造运动。板块随着下方地幔的 搅动而移动。两个板块相撞时，一个板块会 滑到另一个板块之下，然后沉入地幔——这 一过程被称为潜没（subduction）。板块形成 于洋中脊（mid-ocean ridge），是由那里上 升到地面的熔融态地幔物质部分冷却凝固而 形成的，一开始非常薄。在缓慢移向潜没带 （subduction zone）的过程中，随着逐渐冷却， 地壳也越来越厚。按照我们的模型，行星越 大，地幔对流产生的力量就越大，搅动也更快。

这样一来，板块移动也就更快，以至于留给 它们冷却和增厚的时间反而更少。由于板块 更薄，它们应该更容易变形，除非更强的引 力在断层上施加了更大的压力，这会使断层 更不容易滑动。两种效应抵消之后的结果是， 大小不同的各个行星上断层滑动的阻力相差 不大。 与较小的岩态行星相比，超级地球似乎 更容易维持板块构造运动，这是件好事，因 为板块构造或许对生命生存有利。在地球上， 地质活动，特别是火山活动，持续不断地把 二氧化碳和其他气体喷入大气。二氧化碳与 硅酸钙反应，生成碳酸钙和二氧化硅。

两种 反应产物都是固态，最终会在海底堆积形成 沉积物。随着海洋地壳俯冲回地幔，富含碳 的沉积物也被带入地下。因此，潜没过程为 地幔补充了碳元素，其中一部分最终又会返 回大气。这种所谓的“碳硅循环”（carbonsilicate cycle）起到了恒温器的作用，调节 着全球的表面温度。这种循环帮助地球在长 达数十亿年的时间里，把地表温度维持在了 液态水可以存在的温度范围之内。与此类似，板块构造还会循环其他对生命非常重要的矿 物和气体，包括富含能量的化合物，比如硫 化氢——在光合作用进化出现之前，为生命 提供能量的很可能就是硫化氢。 有了超级地球更强劲有力的地幔对流， 板块从产生到潜没的时间变得更短，这让碳 硅循环变得更快，也更加稳健。

因此，从某 种意义上来说，超级地球可能比地球大小 的行星更适宜生命生存。此外，这些行 星更大的质量也能帮助它们保住大气 和水。对于距离母星比太阳系里火 星到太阳更近的行星来说，大气 和水逃逸到太空是个大问题。 把各种尺寸超级地球 的理论模型与地球加以比 较，我们发现一大批各式 各样的行星都拥有稳定的、类 似地球的行星环境。不过在这一大家 子行星当中，地球只处在了非常边缘的位置。 由于质量较小，地球在许多方面都比较“脆 弱”。而且在太阳系里，质量更小的行星地质 活动基本上处于静态。金星似乎勉强还有能 力移动它的板块，火星则在演化早期就已陷 入停滞，今天甚至排放不出足够的气体来补 充那里越来越稀薄的大气。看起来，我们的 地球似乎刚好大得足以摆脱这种命运。不过， 板块构造运动对于生命的存在是否真的必要， 目前尚不确定。

外星风景

一颗固态超级地球上的地貌看上去会是 什么样子？第一眼看过去，它们或许跟我们 地球上的地貌没有太大的不同——除了生命 留下的记号，因为那里有没有生命都不一定。 地质过程会产生大陆、山峰、海洋和大气， 还有云层和应该存在的一切。 不过，超级地球上的板块移动速度可 达地球上的 10 倍。山峰会以更快的速度隆 起并受到侵蚀，而且由于引力较强，山峰不 会隆起得那么高。［与较小的行星近邻火星 上的山峰相比，这些山峰可以说是小巫见大 巫——太阳系里最高的奥林匹斯山（Olympus Mons）就在火星上，高达 21 千米。］大气成 分也可能会有所不同，因为那里的火山活动更频繁，气体分子逃逸到太空的速率也不相 同。 探索超级地球的时代才刚刚拉开序幕。

我们预期，开普勒空间天文台将“收获”成 百上千颗超级地球。接下来要做的工作，将 是研究这些行星的大气，看看我们能不能找 到任何生命迹象。要确定生命是否存在，我 们至少要明确两件事情——这颗行星由什么 物质构成，大气中的主要成分又是什么，后 者与行星内部的动力学过程有关。 把来自于一颗行星的星光分解成七色彩 虹，科学家将有能力从中分辨出诸如水、二 氧化碳和甲烷之类的气体分子的光学“指纹”。

再过几年，哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）的接班人——韦布空间望远镜 （James Webb Space Telescope）就将睁开 它那敏锐无比的红外眼，帮助我们一窥超级 地球的大气。新望远镜需要可以供它研究的 观测目标——其中一些将从开普勒发现的、 距离我们最近的一批超级地球中择优入选。 如果我们足够幸运，在开普勒任务之后 后续展开的、包括地面和空间观测在内的全 天搜索，将发现一些距离我们非常近的凌星 超级地球——它们将是我们研究超级地球， 乃至发现外星生命，最容易入手的突破口.