“超级地球”：我从哪里来？| 天问专栏
►超级地球想象图，图片来源：NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle
编者按：
正如我们知道人是怎么来的，却不知道“超人”是怎么来的一样，天文学家（大概）知道地球是怎么形成的，但却不知道比地球个头稍大的“超级地球”（super-Earth）是怎么形成的。通过对这些“超级地球”的研究，天文学家既希望解释它们自身的特别之处，又希望籍此去解开地球本身的一些未解之谜。
然而，随着研究的不断深入，不仅“超级地球”的身世之谜陷入了类似“拆了东墙补西墙”的尴尬境地，甚至我们所在的太阳系都有变成“特殊异类”的可能。本期《天问》专栏将以开普勒太空望远镜的视角为基础，带你一窥“超级地球”的形成之谜。
撰文 | 祝 伟（多伦多大学理论天体物理研究所）
责编 | 吕浩然
天问专栏
· 夜空为什么是黑色的？（附十一至二十期）
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2009年发射并运行至今的开普勒（Kepler）太空望远镜至今已经发现了超过5000颗系外行星。通过对这些系统的统计研究极大地改观了我们对于行星和系外行星的认识。
Kepler所发现的这些系外行星里面，绝大多数都属于所谓的“超级地球”——行星大小介于地球和海王星之间，且轨道周期大都小于100天（图1）。如此大量的“超级地球”实在超出了天文学家的意料之外。他们提出了很多不同的理论去解释其形成的原因，但时至今日我们还是不知道这些“超级地球”是怎么来的，从哪里来。
►图1：系外行星的分布情况。左图展示的是所有非Kepler探测到的系外行星的质量（纵轴）-轨道周期（横轴）图，右图展示的是包括Kepler行星在内的行星大小（纵轴）-轨道周期（横轴）图。不同颜色则代表不同的探测手段。非Kepler探测到的系外行星里面，86%都超过海王星（Neptune）大小，而Kepler行星里面，85%都小于海王星。图片来源：文献[1]。
之所以说Kepler发现这么多“超级地球”出乎我们的意料，人们先入为主的观念可能占据了很大一部分原因。在Kepler之前，由于技术水平的限制，人们仅探测到极个别和地球大小差不多的系外行星（图1左）。所以天文学家普遍认为，大多数系外行星系统应该和我们太阳系一样：离恒星较近的区域因为缺乏足够的“矿物质”（或称固体物质，solid material），行星普遍“长不大”，最大的也就与地球大小相当；离恒星较远的区域则因为有足够的“矿物质”，且温度足够低，行星可以在足够短的时间内聚集大量的物质，并最终成长为体积巨大（相对于地球而言）的巨行星。这些巨行星在某些特定条件下可以向内迁移，形成热木星（hot Jupiter）或热海星（hot Neptune）。
也就是说，在距离恒星一个日地距离（1 AU）以内的区域，行星要么是不超过地球大小的、形成于本地的岩石行星，要么是超过海王星大小的、由较远区域迁移过来的气态巨行星，而热海星和地球大小的岩石行星之间应该存在一片很大的空白（图2）。因此，Kepler发现的如此大量的“超级地球”完全出乎人们的意料，甚至可以说在一定程度上颠覆了人们对行星形成的理论认知。
►图2：行星形成模型预测的行星质量和轨道半长轴分布。同其它模型一样，该模型预测行星系统应该普遍缺乏质量处于几倍到20倍地球质量、半长轴小于1 AU（1AU=8光分，即光在太空中传播8分钟所经过的距离）的“超级地球”。这与实际观测结果几乎完全相反（见图1）。 海王星质量大约为地球的17倍。图片来源：文献[2]。
Kepler观测到的这些“超级地球”不仅个头比地球大，质量也比地球要重。这些行星由于质量小且离主星较远，它们所引起的恒星视向速度（运动速度沿视线方向的分量）的变化十分微弱，小于目前的探测极限（1m/s），因此精确测量绝大多数Kepler行星的质量超出了我们现有的技术水平。
但是通过对大样本的统计研究表明，这些“超级地球”的平均质量可能在3-5倍地球质量左右。而包含“超级地球”的行星系统平均又有三个这样的行星。因此，平均每个这样的行星系统有大约十倍地球质量的“矿物质”，且这些物质基本都集中在100天轨道以内。这是十分惊人的物质聚集。
以太阳系作为对比，水星离太阳最近，轨道周期为88天，但水星质量只有不到0.05倍的地球质量，而整个太阳系即使放大到地球轨道以内（365天，包括地球）也只有大约2倍的地球质量。这与Kepler发现的行星系统相差数倍。像Kepler行星系统这样，如此大量的物质集中在很小的区域内，假设再把已经被驱离的气体按照正常的比例考虑进去，那么诞生这些“超级地球”的原行星盘（protoplanetary disk）将是不能承受之重：如此重的行星盘很可能不稳定而直接坍缩形成大个的气团，而非固态的行星。正是因为这个原因，天文学家大多认为“超级地球”不太可能是在其现在所在的位置形成的。
“超级地球”的另一个特征是其包含占体重相当大比例（约1%）的大气。作为对比，地球大气只占地球总质量的不到百万分之一，但却支撑起厚度达100公里的大气层（地球半径6400公里）。所以“超级地球”的体积里面有很大部分都是气态。与地球大气层组成不同，“超级地球”的超级大气层几乎都是由氢和氦组成的。这些都使得“超级地球”同太阳系的天王星或海王星有点相似。“超级地球”的这一特征似乎也为迁移理论提供了佐证。
►图3：Kepler-90是至今为止人类找到的除太阳系以外的唯一一个八行星系统。上图表示的是Kepler-90行星系统内各行星与太阳系各行星大小的比较，下图表示的是两行星系统轨道分布的比较。Kepler-90系统的八大行星离其主星的距离全部都在地球轨道以内，这相当于是把太阳系八大行星的轨道压缩了30倍。图片来源：NASA/Ames Research Center/Wendy Stenzel
“超级地球”不能在离主星很近的地方大量形成，而我们确实在离主星很近的地方发现了大量的“超级地球”。那么问题就来了：我们观测到的“超级地球”是怎么形成的呢？天文学家们为此提出了各种各样的理论模型。这些模型归根到底可以分为两类：一是在离主星较远的地方把“超级地球”“组装”好再“搬”过来，二是先把离主星较远的物质“搬”过来再“组装”成“超级地球”。就解释已知的很多观测结果来看，两种理论各有千秋，难分高下。
然而，这两种思路本质上都是在“拆东墙补西墙”。换句话说，无论是选择把原来的“东墙”直接搬到“西墙”的位置，还是把用来建造“东墙”的砖瓦改用来建造“西墙”，这些理论的一个共同的潜在后果就是——“东墙”没有了，或者说变“矮”了。对于行星系统而言，通过这种“乾坤大挪移”的方法解释“超级地球”成因的后果就是，离主星较远的地方应该不太可能再形成太多的行星或者较大的行星。换句话说，存在“超级地球”的系统应该不太可能再存在像太阳系木星一样的冷巨星（cold giants）。
这似乎可以解释为什么我们的太阳系不存在“超级地球”：质量巨大的木星和土星抢走了可能形成“超级地球”的矿物质；另外也正是因为木星的存在，使得原本可以向内迁移形成“超级地球”的天王星和海王星被阻隔在外部。
那么数量众多的系外行星系统是否也是如此呢？
既然绝大多数的“超级地球”都是由Kepler找到的，那么一个最自然的想法就是去寻找这些拥有“超级地球”的系统是否还拥有其它较冷的行星。然而遗憾的是，这一想法并不是十分可行。原因有二，首先Kepler望远镜因为观测时长以及掩食方法本身的限制，对于冷巨星的探测效率及其低下；此外，Kepler观测的恒星普遍较暗，这导致地面上几乎只有十米级Keck望远镜可以做精确的视向速度测量，并以此来寻找系统内的其它行星。因此，虽然Kepler寻找到了数千个“超级地球”，但是我们对于绝大多数“超级地球”轨道之外的世界几乎一无所知。
即便如此，我们还是可以通过一个很小的样本来看出一些端倪。与多伦多大学天文系的武延庆教授一起[4]，我们发现在Keck已经观测过的20多个含有“超级地球”的Kepler行星系统里面，三分之一含有类似太阳系里木星一样的冷巨星。我们在视向速度发现的另外30个“超级地球”系统里面也得到了完全相同的结论。
作为对比，对于任意恒星，其含有冷巨星的概率只有10%。也就是说，拥有“超级地球”的行星系统更有可能同时拥有冷巨星（三分之一）。这与之前的理论预测很不一致。更令人意外的是，考虑到大约30%的恒星拥有“超级地球”，“超级地球”系统拥有的冷巨星贡献了几乎全部的冷巨星（1/3乘以30%=10%）。换句话说，存在冷巨星的行星系统几乎一定存在“超级地球”。
这些结果皆表明，“超级地球”和冷巨星存在很强的正相关性，而像我们太阳系这样存在冷巨星却没有“超级地球”的系统反而是极少数的特例（约1%）。这似乎也暗示了为什么以太阳系为模板建立的行星形成模型总是一错再错：或许我们太阳系真的是一个特殊的存在？
►图4：2018年4月18日发射升空的TESS望远镜（上）和2009年3月7号发射的Kepler望远镜（下）；Kepler是目前发现系外行星最多的天文设备，图片来源：NASA
尽管“超级地球”的身世之谜困扰了学界许久，但这一问题很可能在不久的将来得到解决。2018年4月18日发射升空的TESS望远镜（Transiting Exoplanet Survey Satellite，掩食系外行星巡天望远镜）将致力于发现所有亮星附近的掩食行星（transiting planet，即会像“金星凌日”一样从其主星表面经过的行星）。同Kepler一样，TESS找到的大多数的掩食行星也将是“超级地球”（图5）。
但同Kepler不一样的是，TESS观测的主星因距离我们比较近所以普遍比较亮，所以天文学家可以动用数量众多的小望远镜而非十米口径的Keck来精确测量“超级地球”的质量，并寻找同系统内部的其它行星。TESS将能够提供上千个主星足够亮的“超级地球”系统来更精确地研究“超级地球”的质量和密度分布，以及“超级地球”与冷巨星之间的相关性。这些结果都将有助于理解“超级地球”的形成之谜。
►图5：数值模拟显示TESS寻找到的系外行星（黄色）和Kepler寻找到的系外行星（蓝色）到太阳系的距离（单位：秒差距pc；1秒差距大约是3光年）分布。黑色圆代表目前已知的非Kepler行星系统。圆的大小代表行星导致的掩食深度（transit depth）。同Kepler一样，TESS找到的绝大多数系外行星也将是“超级地球”。但TESS找到的系外行星系统将离太阳系更近，所以主星将足够亮，适合后续的详细观测。图片来源：Zach Berta-Thompson ，数据由文献[3]提供。
除了地面的视向速度观测之外，欧洲航空局（ESA）的Gaia太空望远镜也将有能力搜寻几乎所有的TESS“超级地球”系统里面的冷巨星。Gaia任务本身是通过三角视差方法测量十亿颗恒星的位置和距离参数，但是对于较亮的恒星，Gaia将有能力通过精确测量恒星位置的细微变动来寻找与恒星“纠缠不清”的冷巨星。
2018年4月25日，Gaia刚刚公布了前两年的观测结果，让人们对恒星、银河系等的认识得到了一个全面的提高。按照计划，Gaia将在2022年公布最终的观测数据，其中将包括数以万计的系外行星。届时只要把TESS寻找到的“超级地球”系统和Gaia寻找到的冷巨星系统联合起来，我们将有一个足够大的样本来研究这两者之间的相关性，甚至最终揭示“超级地球”的形成之谜。
就像天文学研究的其它问题一样，揭秘“超级地球”的起源和形成机制除了直接满足天文学家的好奇心之外，还可以加深人类对于赖以生存的地球以及生命的认识。
目前天文学家认为我们太阳系的几大岩石行星（水星、金星、地球、火星）都是在它们目前所处位置附近形成的。因为位于太阳系“雪线”（snow line，在小行星带附近）以内，这些地方形成的行星很难获取大量的水分。而对于出现在地球上的孕育生命的水源，目前主流观点认为是由于各种机缘巧合由彗星和其它含水量高的小行星从“雪线”以外的地方带来的。
如果“超级地球”是在它们目前的位置形成的，那么这些行星极有可能同太阳系大多数岩石行星一样干燥，也就是不存在足够的孕育类地生命的水分。反之，如果是在离主星较远的地方形成然后迁移过来，“超级地球”将很可能天生“水灵灵”，从而具备孕育类地生命的一个必要条件。因此，对包括“超级地球”在内的系外行星的研究将对下一步探索系外生命提供重要的指导意义。
·祝伟，2013年本科毕业于北大天文系，2017年博士毕业于美国俄亥俄州立大学天文系，现为加拿大多伦多大学理论天体物理研究所博士后。上图为作者于2018年三月底于MIT与TESS望远镜1:1模型合影。
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参考文献：
[1]. Natalie M. Batalha, Exploring exoplanet populations with NASA's Kepler Mission, PNAS, 2014. 111 (35) 12647-12654
[2]. C. Mordasini, Y. Alibert & W. Benz. Extrasolar planet population synthesis I. Method, formation tracks, and mass-distance distribution, A&A, 501, 1139-1160 (2009)
[3]. Sullivan et al. The Transiting Exoplanet Survey Satellite: Simulations of Planet Detections and Astrophysical False Positives, ApJ, 2017, 837(1):99
[4]. Wei Zhu (CITA), Yanqin Wu, The Super Earth-Cold Jupiter Relations, Earth and Planetary Astrophysics, arXiv:1805.02660
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