本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
警告：系外行星可能看起來比實際質量小（圖片來源：Eysteinn Guðni Guðnason 和 NASA/開普勒）
系外行星可能令人困惑。最近，我們看到了美國宇航局開普勒任務的一個里程碑式公告，確認在一顆類太陽恆星的宜居帶中存在一顆行星。這顆行星，開普勒-22b，直徑是地球的 2.4 倍，這在系外行星術語中大致將其歸為“超級地球”類別。因此，出現了關於“類地”行星的激動人心的頭條新聞。
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但事實是，這個尺寸的行星幾乎毫無疑問地比地球重得多，許多評論員都指出了這一事實。那麼，為什麼我們不能確定它的質量呢？問題在於，開普勒用來尋找行星的技術僅僅測量了當行星（透過偶然的幾何排列）在其母星和我們的視點之間穿過時所阻擋的光量。這產生了行星的半徑或直徑，而不是它的質量。要估計行星的質量，最好的方法是嘗試測量行星的引力拖拽在其恆星上引起的“擺動”。或者，可以尋找系統中其他行星凌星發生的時間的變化（如果它們被探測到）——這也洩露了關於這些行星質量相互拉扯的資訊。同樣有可能，如果在一個系統中探測到多顆行星，可以透過模擬軌道動力學來推斷行星的真實質量，以找到整個系統穩定的必要條件。
但是，對於像開普勒-22b 這樣遙遠世界的單次探測，目前我們只能猜測它實際的質量可能是多少。然而，這些猜測是基於一些相當複雜的推理，這裡的關鍵術語是“行星質量-半徑關係”。用最簡單的話來說，假設我們知道一顆行星是由什麼化合物組成的——為了論證起見，我們假設它完全由碳組成。然後，我們可以應用我們對碳物理學（以固態形式）的瞭解來計算所有這些碳的重力如何將自身擠壓成一個行星球，以及對於不同質量的碳，這個球的半徑可能是多少。我們知道碳在某種程度上是可壓縮的，特別是如果你在它上面堆放一個行星質量的東西，所以我們必須考慮到這種可壓縮性。我們透過所謂的狀態方程來做到這一點，這與告訴你需要向輪胎中充入多少空氣才能達到一定壓力的公式完全相同，具體取決於天氣有多熱或多冷。
對於真實的行星來說，這樣做當然要複雜得多。壓力下的物質表現出多種方式，化合物的相態可能會發生變化（例如，像液體變成固體，反之亦然），並且行星很可能是多層結構的。我們實際上也不知道系外行星的成分到底是什麼，儘管我們可以做出一些相當好的有根據的猜測來開始。考慮到所有這些因素，天文學家和行星科學家投入了大量精力來計算這一切可能會如何發展，因此我們可以開始對像開普勒-22b 這樣的行星的可能質量做出一些有根據的猜測。
這裡有一個行星質量隨行星半徑變化的例子，在這種情況下，借鑑了 Fortney、Marley 和 Barnes 在 2007 年 的工作，以及 Gillion 等人在 2007 年 的工作。這並非最終定論，因為物理學本身存在不確定性，並且 Seager 等人 等其他優秀研究會給出略有不同的答案。但這足以瞭解開普勒-22b 的大致範圍。
行星半徑與質量的關係，適用於一系列可能的成分——從鐵到“岩石”到冰，再到氫氣和氦氣的大氣層。紅色虛線顯示了開普勒-22b 的 2.4 個地球半徑（圖片改編自 C. Scharf，《系外行星與天體生物學》，大學科學出版社，並在帖子中給出了來源）。
……而且它並不完全漂亮。事實上，即使開普勒-22b 完全由純水冰構成，它的重量也將是地球質量的 5 倍左右。如果考慮到更可能的冰和岩石的混合物，那麼它的質量將超過地球質量的 10 倍。如果它的成分與地球相似，那麼我們看到的將是一個質量超過地球質量約 40 倍的世界——到那時，所有“類地”的報紙頭條新聞都應該被火焰吞噬。
開普勒-22b 對於開普勒任務來說仍然是一個了不起的成果，但下次你照後視鏡時，請記住，物體可能真的比它們看起來的質量更大。