想象一下，在夏夜仰望天空。你望著一顆特定的星星的方向，你聽說它有一顆特別的行星在繞其執行。雖然你實際上看不到這顆行星——你幾乎看不到星星本身——但你知道它比地球大幾倍，並且像地球一樣，主要由岩石構成。地震有時會震動它的表面，其大部分被海洋覆蓋。它的大氣層與我們呼吸的大氣層沒有太大不同，它的天空經常被風暴席捲，並經常被火山灰染成黑色。但最重要的是，你知道科學家們認為它可能孕育生命——並且他們計劃尋找生命存在的證據。
這種情況可能在未來十年內成為現實。雖然迄今為止發現的 450 多個太陽系外行星大多是更像木星的巨行星，但天文學家們開始發現一些可能與地球不太不同的行星。而美國宇航局的開普勒探測器，一顆去年發射升空的行星獵手，將發現更多行星。
當然，這些世界距離我們有數光年之遙，因此即使是我們最先進的儀器也無法真正看到其表面的細節——山脈、雲層、火山——而且可能永遠也看不到。通常，我們所有的望遠鏡所能做的只是探測行星存在的間接跡象，並幫助我們估計它的質量和軌道寬度。在某些情況下，它們還可以提供關於行星直徑以及其他一些細節的資訊。就巨型系外行星而言，這些細節可能包括關於大氣成分和風力動態的估計。
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這與能夠測量關於地質、化學或其他特徵的任何具體事物相去甚遠。然而，透過這些少數幾個數字，研究人員可以推斷出遙遠行星的驚人複雜的肖像，他們結合了理論建模、計算機模擬甚至實驗室實驗，以及關於地球和太陽系其他行星的既有知識。
例如，在我們的研究中，我們對成分類似於地球的行星進行了建模。我們發現，即使這些行星比我們的世界質量大得多，它們也應該是地球物理活躍的，並且擁有可能對生命友好的大氣層和氣候。事實上，我們已經瞭解到，地球的質量可能處於行星適宜居住所需範圍的下限。換句話說，如果地球再小一點，它可能會變得像火星和金星一樣毫無生機。
第一批超級地球
尋找可能孕育生命的行星的夢想，最初將本文作者的職業生涯交織在一起。我們當中較年長的作者（薩塞洛夫）大約在十年前偶然進入這個領域。第一批太陽系外行星是在 20 世紀 90 年代中期發現的，主要使用“擺動”法，該方法透過行星對其恆星的引力效應來探測行星的存在；天體的引力拖拽著宿主恆星，使其在交替的方向上加速，這可以檢測為從恆星接收到的光譜的偏移。
最初，一些持懷疑態度的科學家懷疑擺動是否可能是由恆星的物理特性而不是由繞軌道執行的行星引起的。這就是薩塞洛夫——一位天體物理學家，因此是恆星而非行星方面的專家——參與進來的原因：他的專長是顯示光度週期性變化的恆星。他幫助解決了擺動問題：擺動確實是由行星引起的。天體物理學家擁有了尋找系外行星的強大工具。
然後，薩塞洛夫加入了一個科學家小組，他們提議建造開普勒太空天文臺來尋找系外行星。該探測器最終於 2009 年進入軌道。它旨在透過跟蹤恆星亮度的微小下降來探測行星，這種下降通常持續幾個小時；如果這種下降以規則的間隔發生，則表明一顆行星正在繞恆星執行，並定期從其前方經過。該望遠鏡對準天鵝座附近天空中的特定區域。它的廣角數碼相機正在連續三年監測大約 150,000 顆恆星。一旦積累了足夠長時間的資料，預計開普勒將發現數百顆新行星，其中一些小至地球。
在任務計劃的早期，薩塞洛夫意識到，儘管開普勒將產生大量資訊，但科學家們不一定知道如何利用所有這些資訊。例如，令他驚訝的是，他了解到沒有人嘗試對類地大行星的地質過程進行建模。因此，他開始與哈佛大學地球內部動力學專家理查德·奧康內爾合作。
當時，我們中的另一位作者（瓦倫西亞）已開始在哈佛大學攻讀地球物理學博士學位，打算專注於地震學，並且正在上奧康內爾教授的地質動力學課程。在與薩塞洛夫進行了一次談話後，奧康內爾要求他的班級思考，如果地球有更大的質量，地球的大小會發生什麼變化。額外的引力會使地球內部壓縮多少？這個問題吸引了瓦倫西亞，並改變了她的研究生涯。
在我們的太陽系中，地球是岩石行星或類地行星中最大的一顆。因此，科學家們不習慣於思考成分相似但質量是地球數倍的行星——超級地球，暫且稱之為這個不太好的詞。該領域是如此新，以至於 2004 年我們的合作專案提交了關於超級地球的第一篇論文以供發表時，期刊編輯花了將近一年的時間才找到具有正確專業知識的科學家來審閱它。事實上，早期許多行星科學家對我們選擇的研究課題感到困惑。那時發現的唯一系外行星是木星級的氣體巨行星，而不是超級地球。為什麼有人會想研究可能不存在的行星呢？
僅僅幾個月後，在 2005 年，我們的努力得到了證明。加州大學聖克魯茲分校的歐金尼奧·里維拉和他的合作者使用擺動法，發現了一顆繞著寶瓶座的恆星格利澤 876 執行的行星。這是第一顆已知的超級地球。
我們知道，這顆名為 GJ 876d 的行星僅用兩天時間繞其太陽執行一週，其質量約為地球的 7.5 倍。但這幾乎就是我們能說的全部了。特別是，我們無法找出 GJ 876d 的平均密度（即質量除以體積），從而推測其成分，因為我們無法測量其大小。然而，軌道凌星可以揭示大小：行星使母星光線變暗的程度會告訴你行星的直徑。如果你也測量了擺動，那麼你就有了質量和直徑，因此你可以計算出平均密度。如果密度很高，像岩石一樣，那麼你的行星可能是一顆岩石行星。
凌星法是天文學家在 2009 年初使用法國的 CoRoT 空間望遠鏡（開普勒的前身）發現第一顆凌星超級地球 CoRoT-7b 的方法。這顆行星非常緻密，肯定是由岩石構成的。它離它的恆星太近了——它的一年不到地球的一天——以至於它的向陽面表面一定是永久熔化的。（軌道緊湊的行星會被潮汐鎖定到它們的恆星上，因此它們總是向著它展示相同的面，就像我們的月球對地球一樣。）僅僅 10 個月後，哈佛-史密森天體物理學中心的戴維·查博諾領導的一個地面專案發現了第二顆凌星超級地球。它被稱為 GJ1214b，它之所以不尋常，是因為它的密度更接近於水而不是岩石，這表明它一定有一個厚厚的氣體包層。
因此，這兩顆行星都不像我們的地球。我們正在尋找適宜居住的類地世界，但似乎遇到了怪物。其他怪異之處也可能出現。例如，在非常富碳的恆星周圍，固態行星不會主要由矽氧化合物組成，就像我們太陽系的類地行星一樣，而是由與碳結合的矽組成。這將是一種非常不同的行星，其內部主要由金剛石構成，這是碳壓縮的結果。
但是，由於大多數太陽系（包括我們的太陽系）具有相似的成分，研究人員預計，大多數超級地球的組成將與地球的組成接近——主要由與氧和鎂結合的矽、鐵和少量其他元素組成——通常還含有大量的水。很快我們將發現許多這樣的行星，因此嘗試更多地瞭解它們是值得的，首先從它們內部的物理學開始。
前往超級地球的中心
應該存在兩種主要的超級地球型別，具體取決於行星在太陽系中的形成位置。那些在離恆星足夠遠的地方形成的行星會吸收大量繞新恆星執行的原始冰粒子，並且水最終將比太陽系類地行星的水在行星質量中佔更大的份額。另一方面，那些在離恆星較近的地方形成的行星，那裡太熱以至於冰無法存在，最終會相對乾燥，就像地球及其在太陽系中的類地行星一樣。
一顆岩石行星最初會是以熔融物質的熱熔混合物的形式出現，並立即開始透過向太空輻射熱量來冷卻。鐵基和矽酸鹽基晶體將在凝固的岩漿中形成。根據氧氣的量，一些鐵不會被結合到礦物中。這種鐵將保持液態，並且由於密度較高，將沉到中心。然後，就像地球一樣，行星將呈現洋蔥狀結構，具有鐵核和主要由矽酸鹽構成的地幔。
與地球大小的行星相比，較大行星的核心會出現差異。在地球內部，經過數十億年的時間，地核已經冷卻到足以使核心的內部部分凝固，而外核仍然是液體，因此它在對流電流中翻騰。外核的對流被認為是產生地磁場的引擎。
但是，根據最近的理論計算，在大型行星核心中存在的壓力下，即使在高達 10,000 開爾文的溫度下，鐵也可以凝固。這些高溫可能只有在行星非常年輕時才會超過。但是，稍微冷卻一下就足以使超級地球的核心凝固。因此，典型的超級地球可能具有完全固態的鐵核，並且沒有全球磁場。在地球上，磁場有助於保護我們免受太陽風和宇宙射線的有害影響，尤其是在陸地上。但我們不確定它是否是適宜居住的必要條件。
富含水的行星會發展出更不熟悉的特徵。厚厚的水層——一個單一的海洋——將包裹著行星。並且在海洋深處會發生一些奇怪的事情。水在冷卻時會變成冰，但在壓縮時也會變成冰。因此，在矽酸鹽地幔的頂部，將形成另一個由熾熱發光的冰組成的固態地幔。這不會是普通的冰，而是名為冰 VII、冰 X 和冰 XI 的晶體結構，迄今為止僅在實驗室實驗中觀察到。
無論是否富含水，超級地球由於質量更大，都會將其內部壓縮到難以想象的壓力。因此，質量更大的行星將比成分相同的質量較小的行星更緻密。在如此極端的條件下，堅硬的岩石材料甚至比我們星球內部的材料還要堅硬，甚至可能比金剛石還要堅硬。類地材料在這些非常高的壓力下表現如何？在這方面，研究人員也在使用理論模型和實驗來更好地瞭解超級地球。
例如，近年來，科學家們在地球上發現了一種新的材料結構排列或相，稱為後鈣鈦礦 [參見 Kei Hirose 的文章“地球上缺失的成分”；大眾科學，六月]。雖然它僅構成地球地幔的一小部分，但它將構成超級地球地幔的大部分。理論表明，可能存在密度更高的相，但實驗尚未證實其存在。
一旦我們瞭解了行星的結構以及構成這些層的材料，我們就只完成了一半。下一步是瞭解該結構的動力學——或者說缺乏動力學。換句話說，要弄清楚行星是像地球一樣地質活躍，還是像火星一樣幾乎靜止和凍結。
在地球上，地幔對流是大多數地質過程的引擎。在構成地球表面的板塊下方，地幔翻騰，因為它將其內部熱量輸送到表面，然後在冷卻後沉回，類似於沸騰的水壺中的對流。熱量部分是行星形成後留下的，部分來自地幔中放射性元素的衰變。我們預計岩石超級地球具有類似的放射性熱源濃度，或者至少是鈾和釷的濃度，因為這些元素均勻分佈在整個星系中，並且在形成過程中也容易被納入行星。因此，與我們的家園行星相比，質量更大的地球類似物產生更多的內部熱量，這將轉化為更劇烈的地幔對流。
黃金地段
強烈的攪拌有幾個後果，最終會影響行星的宜居性。一個或許出乎意料的後果是，較大的行星應該有更薄的板塊。地幔對流在表面表現為板塊構造。當板塊下方的地幔翻騰時，板塊會移動。當兩個板塊碰撞時，其中一個板塊可能會滑到另一個板塊下方，然後沉回地幔，這個過程稱為俯衝。板塊在洋中脊處開始時非常薄，在那裡它們部分由上升到表面的熔融地幔物質形成，並隨著時間的推移而冷卻並向俯衝帶移動而變厚。根據我們的模型，較大行星上的對流會產生更大的力和更快的翻騰速度。因此，板塊移動得也更快，因此它們冷卻和變厚的時間更少。由於更薄，板塊更容易變形，但更強的重力會給斷層施加更大的壓力，這使得它們更難以滑動。最終效果是，不同大小行星的斷層阻力並沒有太大差異。
板塊構造似乎比在較小的岩石行星上更容易在超級地球上維持，這是一件好事，因為板塊構造可能有利於宜居性。在地球上，地質活動，特別是火山活動，不斷地將二氧化碳和其他氣體噴射到大氣中。二氧化碳與矽酸鈣反應，產生碳酸鈣和二氧化矽，兩者都是固態，最終以沉積物的形式沉積在海底。當洋殼俯衝回地幔時，它會攜帶富含碳的沉積物。因此，俯衝會用碳補充地幔，從而使其最終返回大氣層。這個所謂的碳-矽酸鹽迴圈充當調節全球表面溫度的恆溫器。在地球上，這個迴圈幫助將溫度在數十億年內保持在接近液態水的溫度。同樣，板塊構造迴圈利用其他對生命重要的礦物質和氣體，包括富含能量的化學物質，例如硫化氫，這些物質可能在光合作用進化之前為生命提供了燃料。
憑藉超級地球更劇烈的對流，板塊生成和俯衝的時間尺度變得更短，這使得碳-矽酸鹽迴圈更快、更穩健。從某些方面來看，超級地球可能比地球大小的行星更適合生命居住。此外，它們更大的質量將有助於這些行星保持其大氣層和水分，防止其逃逸到太空。對於比火星更靠近其恆星的行星來說，這是一個特別的問題。
將地球與不同大小的超級地球的理論模型進行比較，我們發現各種穩定的類地行星條件，但這僅僅是一個勉強包括地球的行星家族。由於體積較小，地球在許多方面更脆弱。在我們的太陽系中，較小的行星在地質上相當靜態。金星似乎勉強能夠移動其板塊，但火星在其歷史早期變得停滯不前，現在產生的排放物不足以取代其正在變薄的大氣層。似乎我們的行星勉強足夠大，才得以逃脫這種命運。儘管如此，板塊構造是否真的對生命存在至關重要，目前尚不清楚。
明信片般的圖片
固態超級地球上的景觀會是什麼樣的？乍一看，它們可能看起來與我們星球上的景觀沒有太大不同——除了生命跡象，這可能是也可能不存在的。地質過程將產生大陸、山脈、海洋和大氣層，包括雲層等等。
然而，構造板塊的移動速度將比地球上快 10 倍。山脈的生長和侵蝕速度會更快，而且由於更強的重力，它們不會升得那麼高。（這些山脈將與我們較小的鄰居火星上的山脈形成鮮明對比，火星上的奧林匹斯山是太陽系中最高的山脈，高達 21 公里。）由於更高的火山活動和大氣氣體逃逸到太空的不同速率，大氣層的成分也可能有所不同。
超級地球行星探索的時代才剛剛開始。我們預計開普勒太空任務將帶來豐富的超級地球成果——數百顆。開普勒之後的下一步將是研究這些行星的大氣層，看看我們是否能找到任何生命跡象。為了實現這一目標，我們需要確定至少兩件事——行星是由什麼構成的，以及它的大氣層中富含哪些氣體，這與行星內部的動力學有關。
透過將來自行星的光線分解成彩虹般的顏色，科學家們將能夠從中看到水、二氧化碳和甲烷等分子的光學指紋。在幾年內，哈勃太空望遠鏡的繼任者詹姆斯·韋伯太空望遠鏡應該會睜開其紅外之眼，並允許我們瞥見超級地球的大氣層。新望遠鏡將需要研究目標——其中一些目標將從開普勒發現的最佳和最近的行星中選擇。
幸運的是，正在構思的全天區地面搜尋和作為開普勒後續行動的太空任務將發現一些凌星超級地球，它們非常靠近我們，因此相對容易研究。