超级地球:奇异新世界

早前,科学家们天真地认为,如果我们发现其它围绕恒星运转的行星,这些新行星应该跟我们太阳系内的行星相类似。

但是,我们错了,宇宙总是让人捉摸不透。目前发现的1900多颗(数字还在增加中)系外行星,许多与我们太阳系内行星很不一样,比方说2011年发现了围绕两颗恒星运行的行星。它就像是科幻电影《星球大战》中,围绕双星运动的行星塔图因,主人公卢克在这颗行星上,可以凝望“双日同落”。天文学的新发现,让科幻故事变为触手可及的现实。

寻找“生命行星”


但系外行星给我们的最大惊喜,或许是“超级地球”,也被称作“超级类地行星”。这一类的行星,广义上是指那些环境可能与地球类似,而质量通常为地球1到10倍的行星。

1992年,天文学家首次发现系外行星,而且一次就发现了两颗,它们每一颗几乎都是地球质量的3倍,一般来说,行星都会绕着恒星来运转,就像我们的地球绕着太阳一样,但是这两颗系外行星却特别另类,因为它们是绕着一颗叫做PSR B1257+12的脉冲星(位于室女座,距离地球大约980光年)运转。

这个发现令研究人员目瞪口呆,因为当时天文学家一般认为,只有主序星周围才可能存在行星,而所观察到的第一批系外行星竟然是在脉冲星周围找到的,为什么有这么奇怪的事情?

直到1995年,天文学家在一颗典型的类日恒星周围发现了一颗所谓的“热木星”(即公转轨道极为接近其母恒星的类木行星),才轻舒一口气。这个星球的发现,使天文学家们受到鼓舞,并开始计划寻找系外超级地球的“猎星任务”。

2009年,专门用于探测系外行星的开普勒太空望远镜升空之后,扫描了其视野范围内的15万颗恒星。从此,发现超级地球的喜讯就不断传来,太空望远镜得到的一系列图片令人惊奇:它们有的是气态的球体,更像是迷你海王星;有的则是岩石类的超级地球,可以完全被海水或熔岩覆盖。

密度很重要


欣喜若狂的行星猎人们发现了更多的星球,并添加到超级地球的名单中。然而直到现在,除了它们的质量,科学家们对这些星球一无所知,没有人能猜测出:这些新奇的行星是属于岩石类的(类似于地球)、气态的(类似于海王星),或者介于两者之间?又或者以上的类型都有涉及?

因此,关于超级地球的第一个大问题是:它们由什么构成?想要深入了解行星的基本物质,天文学家需要找到一个“凌日”——即行星经过主恒星时,遮挡了主恒星的部分光线,从而让我们可以估算行星的大小。一旦天文学家知道了某颗行星的大小和质量,根据高中所学的物理,我们就能算出该行星的密度(密度等于质量除以体积)。有了密度,科学家就可以判断超级地球为松散球还是实心球,是“死亡的世界”,还是可能的“活的世界”。因此密度十分重要,它能告诉我们关于星球的特征。

寻找系外行星“凌日”的过程并不容易,但这样的等待,终于在2009年有了进展,那一年天文学家推算出了两颗超级地球的密度。首先,宇宙飞船看见了一颗正在“凌日”的行星,后来被命名为CoRoT-7b,它的直径大约是地球的1.5倍,质量则是地球的5倍。这意味着CoRoT-7b是第一颗被发现的系外岩石行星,不过它跟它的母恒星距离特别接近,其表面肯定会融化——可能更类似水星。

第二颗是GJ 1214 b,它是被研究得最多的超级地球,其直径约为地球的5倍,但质量只有地球的6.5倍,密度远小于之前发现的CoRoT-7b。GJ 1214 b行星距离地球40光年,它上面富含丰富的水资源:星球四分之三的表面都被深海覆盖。这是人类第一次在太阳系外发现的饱含液态水的行星,但与此并存的却是常年190℃的高温,因此,GJ 1214 b上充满着灼热而浓厚的水蒸气,这样的环境也许并不适合地球形态的生命存在,但有可能发现其他形态的生命。

据统计,已知密度的超级地球数量,大约在40个左右。一般来说,直径在地球3.2倍以下的系外行星,其密度就很高,很可能是岩石行星;而当直径超过地球直径的3.2倍时,行星的密度会开始下降,那么就可能是由较轻的物体,如水、冰和气体等组成的气态行星。

如何揭秘行星大气


在地球上,大气对动物、植物、人类来说,必不可少,所以超级地球的大气层也是天文学家下一步的研究目标。

我们之前提到了,在“凌日”穿越过程中,主星的光穿过系外行星的大气后,一些波段的光会被特定的大气分子吸收。这时科学家通过分析光谱,就可以检测到行星大气的特定分子。如果获得足够多的数据,科学家就可以在理论上分析出行星大气层的基本组成成分。

假设能观察到气体的组成成分,那么或许就能提供一种线索:超级地球是否有生命存在?或者生命是否已经存在于超级地球上?因为根据大气中有什么样的气体,就可以推测某些生命是否存在。

到目前为止,在大气气体种类分析上,有很多令人激动的发现,其中就包括了“超级木星”的大气组成。科学家发现“超级木星”庞大的大气层中,主要是水蒸气、二氧化碳和甲烷,与木星的大气成分非常相似。而超级地球的研究,还在进展之中。

但是太空望远镜对岩石类超级地球上的大气成分的检测效果非常弱,比如在GJ 1214 b和另一个超级地球HD 97658 b附近收集到的星光,通过光谱分析所发现的特定分子的数量很少。天文学家给出的解释是,这两个星球可能像金星一样,被云气包裹住了,厚云层显然阻挡了来自低层大气分子的特定光线,使其难以识别。

天文学家仍在努力解开云层的特征。总的来说,系外行星大气的分子结构,将是下一代望远镜(韦伯太空望远镜)的主要目标。

判断宜居的3个属性


对于一颗岩石类超级地球来说,是否适合生命居住,涉及到3个与生命攸关的行星属性:海洋的调节、气候“空调器”、磁场。

以地球为例,在其从熔融状态开始冷却的最初几亿年的时间里,其最外层固化成为地壳,然后分裂成板块,这些板块在一个炽热、高密度的地幔区域上面,相互碰撞和磨碎,而在它们之下藏着一个坚固的地核,地核喷出的热气不断搅动着地幔,就像是一个冒热气的火锅。地壳板块可能会向下俯冲,重新跑到地幔中(触发地震),接着被熔化掉,同样地,海水也通过地幔来循环,如此持续了亿万年时间。通过地球板块之间的火山裂缝,岩石和水返回地球的表面,这样周而复始地运作。

那么,在超级地球上,这3个属性会是怎样的呢?

首先讨论一下海洋。超级地球可能是笨重的蓝色行星,它们保留的海洋已经有数十亿年,可能与地球上的海洋一样,甚至更好,因为超级地球可能会有充足的水,供应给地幔循环利用。而地幔循环启动了星球的板块运动,在很长的时期,会影响超级地球是否有宜居的气候,而影响的关键点,就是二氧化碳这种温室气体。

二氧化碳是一种很有用的气体。一方面,它能捕获空气中的热量,维持地球表面温度。另一方面,岩石和海水吸收大气中的二氧化碳,并封存起来,而二氧化碳的减少,就说明热量减少,那么星球就会冷却下来。由于岩石和海水这些地表物质会进入地幔,碳就会被转换回二氧化碳气体,并通过火山喷发返回到大气中,而大气中二氧化碳水平上升,又能使行星变暖,这样循环的最终结果就是:地球能自我调节温度。

那么,超级地球也拥有这个“温度自动调节器”吗?2007年就有一项研究,表明了超级地球有较高的内部热量,能产生更快的对流,类似于地球地幔环流,但其对流更具活力,而且力量更大,所以与地球相比,它似乎更容易创造出板块构造,这样的“超级”板块可以保持大气中二氧化碳的水平,这意味着这些星球比地球更能平衡气候。

然而,同时又有相反的观点:在超级地球上,引力占主导地位,地壳上的不同板块就会被引力牢牢固定住,而不能产生板块漂移和碰撞。没有了板块活动,二氧化碳就不能内外循环,就没有“温度自动调节器”功能,这样的话,生命就很难诞生了。随后的研究都各自支持这两种观点,好几年过去了,这件事仍然悬而未决。

此外,超级地球的宜居还面临一个大问题:行星内部需要一个磁场。假设地球没有磁场来抵挡太阳风的冲击,生命即使出现也难以立足,但我们地球内部晃动的液态铁层,会产生磁场这个“盾牌”,保护着生命。

根据一项研究,超级地球的内部结构可能是固体,而不是像地球一样有不同层次。没有液态金属层,就相当于没有磁场,生命也就难以存在。然而,我们不要绝望,也有研究指出了另一种可能:超级地球内部的高热量可能会融化氧化镁,当这种矿物液化和翻腾后,就可以产生磁场。

显然,我们还是需要更好地掌握超级地球的内部运作,进一步研究它们是否宜居。

星际移民或成现实


目前,已经发现的超级地球还只是冰山一角,随着现代观测手段的进步和新一代技术革新,发现超级地球的速度会越来越快。将来,人类可能找到围绕着类似太阳这样的恒星公转、并且适宜人类居住的行星。而一旦发现了这样的行星,星际移民也可能会变成现实。

2015年,英国学者确认了超级地球——GJ 581 d为首个系外宜居星球。这个行星大小约为地球的3倍,是人类在太阳系之外发现的第一个位于宜居带中的行星,距离地球仅约22光年,在浩瀚的宇宙中算得上是地球的“邻居”,科学家认为它是人类潜在的太空移民选择。

此外,“凌日系外行星勘测卫星(TESS)”,将于2017年由美国麻省理工学院负责发射,主要搜索距离太阳系较近的明亮恒星,看看能不能发现更多的像地球一样大小的行星,这样的行星越多代表着,生命存活的几率就越大,未来的星际移民几率也就越大。



本文源自大科技*科学之谜 2016年第10期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号:hdkj1997