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超级地球

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超级地球是太阳系外行星,其质量高于地球,但远低于太阳系的冰巨星天王星和海王星,后者分别是地球的14.5和17倍。它仅是指行星的质量,并不意味着有关表面状况或可居住性。[1]自从2005年格利泽876d被尤金尼亚·里维拉(Eugenio Rivera)所率领的团队发现之后,相继有数颗超级地球被世人发现。地球作为太阳系中最大的类地行星,其所身处的太阳系并不包含这一类能被当作范例的行星,举凡那些体积大过地球的行星,质量至少都在其十倍以上。

定义

在一般情况下,超级地球只以质量作为判定条件,而温度下、组合成分、轨道属性、适居性、或星球环境等条件则不包括在内。目前在超级地球质量上限定义上,普遍认同为地球质量的10倍[1][2][3](约天王星质量的69%,这是太阳系的气体巨型最小的质量),而下限为地球质量的1倍[1]、1.9倍[3]、5倍[2]不等,在不同的大众媒体下有不同的标准。[4][5][6] 一些学者进一步指出,在超级地球定义上应该增加是否有显著的大气层;或是不但有大气层,还有固态表面或如海洋行星般,有著广大的海洋且有一层大气层覆盖其上,这种类型的行星没有出现在太阳系内。[7]若系外行星超过地球质量10倍的上限,依照其是否由岩石、冰、或是气体组成成分,确定该行星是否为类地行星[7]、巨无霸行星[8][9]、或是气体巨行星[10]

发现

超级地球克卜勒-10b(右)与地球大小比较图
超级地球克卜勒-10b(右)与地球大小比较图

太阳系内没有超级地球类别的行星,因为地球在太阳系内为最大的类地行星,而太阳系内大于地球的行星其质量皆至少地球质量的14倍。

首颗被人发现的超级地球

克卜勒太空望远镜任务候选行星分类表。此数据建立在2013年11月4日。(NASA)
克卜勒太空望远镜任务候选行星分类表。此数据建立在2013年11月4日。(NASA)

亚历山大·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)与戴尔·费雷欧英语Dale Frail(Dale Frail)在1992年发现脉冲星PSR B1257+12旁有著系外行星,其外围两颗行星质量皆为地球的4倍左右。[11][12]

以尤金尼亚·里维拉为主的一支团队于2005年发现了首颗围绕主序星的超级地球,它因绕行格利泽876公转,而被命名为格利泽876d(先前已有两颗体积近似木星的类木行星在其星系中被发现)。它的质量估计有地球的七点五倍大,轨道周期相当短,只有两天左右。鉴于格利泽876d的与日距离,它高温的表面最高可到华氏650度。[13]

第一颗位在适居带的超级地球

2007年4月,由斯特凡·乌德里所领导一支根据地在瑞士的团队,宣布在格利泽581周边可栖息区域的边陲发现两颗新的超级地球[14],其表面有可能存有液态水。有地球质量五倍大,距离格利泽581为0.073天文单位或一千一百万公里的格利泽581c,座落在可栖息区域的“暖陲”,其平均温度(不考虑来自大气的影响),估计在反照率可比照金星的摄氏零下三度,至反照率可比照地球的摄氏四十度之间。

其他被发现的超级地球

2006年

2006年两颗超级地球陆续被发现,经由微引力透镜所发现的OGLE-2005-BLG-390Lb,质量为地球的五倍,另一颗HD 69830 b的质量则是地球的十倍。[1]

2008年

超级地球柯洛7b(中)与地球(左)及海王星(右)大小比较图。
超级地球柯洛7b(中)与地球(左)及海王星(右)大小比较图。

2008年,一颗名为MOA-2007-BLG-192Lb的超级地球被发现,这颗星球是已知的质量最小的超级地球之一。该星球是由天体物理学家大卫.P.巴内特等人于纽西兰约翰山大学天文台进行天文物理重力微透镜观测(HARPS)时,于2008年6月2日发现。该星球的质量约是地球的3.3倍大,其母星为一褐矮星,发现该星球时是因为发生一次微引力透镜现象而发现之。[15][16]

2008年6月,欧洲南天天文台研究团队宣布在一颗名为HD 40307恒星周边,发现三颗超级地球。这三颗行星其质量从小到大分别为地球质量的4.2倍、6.7倍、及9.4倍,发现时都是使用高精度径向速度行星搜索器径向速度法智利发现。[17]

欧洲南天天文台研究团队另外也宣布,在一颗名为HD 181433恒星周围,发现一颗地球质量7.5倍大的超级地球,该恒星另有两颗行星为气体巨行星[18]

2009年

2009年2月3日,一颗名为柯洛7b的超级地球被发现,该星球质量初步估计为地球质量的4.8倍,轨道周期为0.853天。在估计柯洛7b的密度时,显示它可能是一颗矽酸盐行星,类似于太阳系类地行星[19]柯洛7b被发现后,一颗名为HD 7924 b的超级地球被发现,该星球是首颗在G型主序星等级以上发现的超级地球。[20]

2009年4月21日,瑞士日内瓦大学天文学家米歇尔·麦耶所带领的团队宣布发现一颗名为葛利斯581e超级地球,该行星的质量至少为地球的1.9倍,半长轴为0.03AU公转周期约3.15天,显示其并非在适居带[21],该星球显示有潮汐加热现象,并且比木卫一至少剧烈100倍。[22]

2009年12月,MEarth计划大卫·夏邦诺等人发现一颗名为GJ 1214 b的超级地球,直径大约是地球的2.7倍,其围绕之恒星格利泽1214发光度及体积比太阳小。哈佛大学天文学教授兼MEarth计划主持人大卫·夏邦诺认为该星球可能有液态水[23] ,然而之后的星球模型显示,在大多数情况下,它不具有液态水。[24]

总计至2009年11月为止,共有30个超级地球被发现,其中24个是首次发现是使用高精度径向速度行星搜索器(HARPS)观测的。[25]

2010年

2010年1月5日,名为HD 156668 b被发现,其质量至少为地球质量的4.15倍,这是利用径向速度法发现第二小系外行星,仅大于2009年发现的格利泽581e[26]

2010年8月24日,日内瓦大学教授克里斯多福·洛维斯(Christophe Lovis)领导的团队利用欧洲南方天文台智利拉西拉天文台ESO 3.6米望远镜上的高精度径向速度行星搜索器(HARPS),于太阳型恒星HD 10180发现其拥有至少7颗系外行星环绕著。当中HD 10180 b初估其质量至少为地球质量的1.35 ± 0.23倍,这是至此发现在主序星轨道上质量最小的系外行星。[27]虽然未经证实,但此7颗系外行星存在的机率为98.6%。[28]

2010年9月29日,美国国家科学基金会宣布在红矮星葛利斯581上,发现一颗名为葛利斯581g的超级地球,该星球质量至少为地球质量的3.1倍,半长轴为0.146AU公转周期约36.6天。在葛利斯581星系上,距恒星距离从里到外排第四,于葛利斯581c葛利斯581d之间。此行星由华盛顿卡内基学会和加州大学圣克鲁斯分校(UCSC)等机构利用径向速度法发现。[29][30][31]然而有部分天文学家及团队包括ESOHARPS研究小组对葛利斯581g的存在产生质疑[32][33],目前太阳系外行星百科仍将葛利斯581g列为未证实系外行星。[34]

2011年

2011年2月2日,克卜勒太空望远镜任务宣布一项主要研究结果,至少列出1,235颗候选行星,其中68颗为地球等级〈Rp < 1.25 Re, Rp:星球半径、Re:地球半径〉,288颗为超级地球等级(1.25 Re < Rp < 2 Re)[35][36],另54个已确认位在适居带。有6颗位在适居带的候选行星的半径小于地球半径两倍,6颗候选行星分别为KOI 326.01(Rp=0.85)、KOI 701.03 (Rp=1.73)、KOI 268.01(Rp=1.75)、KOI 1026.01(Rp=1.77)、KOI 854.01(Rp=1.91)、KOI 70.03(Rp=1.96)。[35] 近期研究显示,其中一颗候选行星(KOI326.01)其体积可能比首次结果显示更大,表面温度也比首次结果显示更热。[37]基于近期克卜勒太空任务的发现,美国天文学家赛思.肖斯塔克〈Seth Shostak〉估计在距离地球一千光年内,至少有30,000颗星球是人类可居住的世界。[38]克卜勒太空任务团队也基于研究结果,估计银河系至少有500亿颗行星,其中至少5亿颗行星在适居带上。[39]

2011年8月17日,两组欧洲科学家团队分别发现HD 85512 b,以及绕行天园增三的三颗系外行星[40],这两组发现的超级地球皆可能位在适居带上。如果HD 85512 b覆盖著50%的云层,水便可能以液态的形式存在于行星表层。[41][42] 在随后不到一个月期间,包括10颗超级地球在内的45颗系外行星被科学家发现。[43]

2011年12月5日,NASA克卜勒太空望远镜发现第一个位于类太阳恒星适居带的太阳系外行星,该行星名为克卜勒22b,半径为地球半径的2.4倍,距离其母恒星克卜勒22b的距离比地球距离太阳少15%。[44]母恒星克卜勒22半径比太阳略小,温度比太阳低,依此推论克卜勒22b表面温度类似于地球,显示克卜勒22b可能存在于液态水。[45]

2011年12月5日,克卜勒太空望远镜任务小组宣布已经发现2,326颗候选行星,其中207颗与地球大小相似、680颗是超级地球、1181颗为海王星大小、203颗为木星的大小、55颗则比木星更大。相较于2011年2月的数据,与地球大小相似及超级地球等级的行星数量分别增加了200%和140%。此外,48颗候选行星被发现在适居带,该数据对照于2月期间为下降,这是由于十二月数据使用的是更严格的标准来判定候选行星是否在适居带[46][47]

2011年,巨蟹座55e星球密度计算结果显示略大于地球密度[48],该星球半径约地球半径的2倍[49],直至2014年为止确认其没有氢气组成的大气层前,巨蟹座55e是发现最大的行星。[50][48]

2011年12月20日,克卜勒太空望远镜任务小组宣布第一次发现2颗与地球体积类似的行星,分别为克卜勒20e克卜勒20f,两颗行星皆位在克卜勒20行星系统上。[51]

葛利斯667Cb是由HARPS团队宣布与其他29颗行星同时于2009年10月19日发现,而葛利斯667Cc则由相同团队于2011年11月21日的论文公开,另葛利斯667Cc详细资料于2012年2月公布。[52]

2012年

2012年9月,葛利斯163旁发现2颗系外行星。[53][54][55] 其中一颗行星葛利斯163c的质量大约是地球的6.9倍,表面温度略高于地球,并可能位于适居带上。[54][55]

2013年

2013年1月7日,克卜勒太空望远镜的团队发现克卜勒69c,其半径为地球半径的1.5倍,轨道位置在该恒星的适居带中,其母恒星克卜勒69类太阳恒星克卜勒69c可能是有外星生命的星球之一。[56]

2013年4月,美国国家航空暨太空总署以威廉.伯鲁奇(William Borucki)领导的团队,以凌日法搜寻太阳系外行星的克卜勒太空望远镜观测视野时,在距离地球约1200光年克卜勒62,其适居带内发现5颗系外行星。这五颗超级地球的半径从小到大为地球的0.54、1.3、1.4、1.6、及1.9倍。其中克卜勒62e克卜勒62f的理论模型显示,这两颗行星可能拥有固体表面,其表面可能是岩石,或是岩石与固态水组成。[57]

2013年6月25日,欧洲南天天文台发布消息,宣称在葛利斯667C适居带内同时找到3颗超级地球,并且显示很可能有外星生命存在。葛利斯667C拥有7颗系外行星的行星系统,位在天蝎座一带,在内的3颗超级地球约距地球22光年。这3颗超级地球包括在太阳系外7颗最可能存在生命的行星。在观察这3颗超级地球与母恒星的距离,以及表面平均温度,推论3颗行星皆可能有液态水存在,而不是被恒星辐射带走,或是以固态冰存在。[58]

2014年

2014年5月,先前发现的克卜勒-10c,其质量约地球质量的17倍,类似于海王星。半径约为地球的2.35倍,是目前已知最大的类地行星。[59]由于克卜勒-10c的质量超过超级地球等级地球质量10倍上限,因此提出将其归类为“巨无霸地球”(mega-Earth)。[60]

2015年

2015年1月6日,美国国家航空暨太空总署宣布由克卜勒太空望远镜发现第1000个被确认的系外行星。三个新确认的系外行星被发现在适居带内;其中两个行星克卜勒438b克卜勒442b接近地球尺寸,其组成成分可能是岩石;第三个行星克卜勒440b则为超级地球。[61]

2015年7月30日,天文与天体物理学报宣布他们发现一个行星系统,当中有三颗超级地球绕著一颗明亮的矮星。位于仙后座的格利泽892发现其拥有四行星系统,但这些行星并不在适居带内。当中最短轨道的行星是HD 219134 b,是当时已知距地球最近的超级地球。[62][63][64]

2015年12月17日,澳洲天文学者宣布发现至今为止离地球最近的超级地球沃夫1061c,距离地球只有13.8光年。[65]

2016年

2016年2月,美国国家航空暨太空总署公布哈伯太空望远镜在分析巨蟹座55e大气层中,检测到(可能是氰化氢)等元素,但是没有检测到水蒸气。美国国家航空暨太空总署并宣布首次针对超级地球大气层分析任务成功。[66]

2016年8月,天文学家宣布发现一颗系外类地行星比邻星b,其位红矮星比邻星的居住区,是目前已知距太阳系最近的系外行星,也是已知距离最近的适居带内系外行星。由于比邻星b非常靠近地球,该行星可能突破倡议中,像系外天体探测前进的小探测器其中之一目的地。[67]

特性

画家笔下的格利泽876d
画家笔下的格利泽876d

密度与组成成分

在科学计算上,如果可以同时利用径向速度凌日法侦测到某超级地球,那该星球的质量与半径便可确定,并可延伸计算出出该星球的平均总体密度。低密度的星球可能是由氢和氦元素组成,类似于迷你海王星;中密度的星球主要元素组成可能包括水,类似于海洋行星,或是该星球内部有一颗密度大的核心,但外围被一层广大的气体覆盖著,类似于较小的气体行星。另一项常用的推论条件是当某超级地球的星球半径大于地球半径1.5倍条件下,其密度随星球半径增加而增加;但若是其密度随星球半径增加而下降,则该行星可能是其内部为岩石核心,但其被一层气体包覆著;这推论条件主要建立在观察过65个小于地球半径4倍的超级地球统整出来的资料。[68] 高密度的超级地球推论是由岩石、金属或岩石与金属混和组成的,如地球和太阳系其它类地行星。而在超级地球内部可能是分层不明显,部分明显或内部分层完全明显。研究人员在美国哈佛大学天文系开发用户友好的在线工具来表征超级地球的主体组成。由哈佛天文系的研究员开发一套简单的模拟软体来分析超级地球内部组成特性[69][70]

鉴于超级地球相对较大的质量,它们与地球在物理特性上有着一定的差距。一份以黛安娜·瓦伦西亚(Diana Valencia)为主的团队针对格利泽876d的研究报告显示,使用经由检测行星及其相应质量的凌日法所测得出来的半径,有可能推测出超级地球的组成结构。[1]计算绕行格利泽876的行星所得出的范围,可以是在九千两百公里(约为地球半径的一点五倍)的固态行星到地核大到超过一万两千公里以上(约为地球半径的两倍)有着冰层覆盖表面的液态行星。在这半径的范围之内,超级地球格利泽876d的表面引力为~3.3g与~1.9g之间。巨大的表面引力(通常大过海王星土星这样的行星,在某些情况下则大过木星)是超级地球一项众所周知的特性。

温度

由于大气层的影响,对于测量超级地球上的反照率温室效应与表面温度无法得知,通常只能得知该星球的行星平衡温度。例如:地球的行星平衡温度为254.3 K(−19 °C 或 −2 °F)[71],这是由于地球上的温室气体让地表温度能保持温暖;但像金星的行星平衡温度为184.2 K(−89 °C 或−128 °F),然而金星表面实际温度却是737 K(464°C 或867°F)[72],因其浓厚的大气层让热量无法散发出去。在以上的例子可以得知,目前无法从行星平衡温度来推算外星球的反照率温室效应与表面实际温度。

磁场

地球的地磁场主要成因为地球内部的液态金属外核,但在超级地球上,其质量高的状况下在超级地球内部会产生高压,伴随著超级地球内部核心组成成分黏度更大,熔点也更高,导致内部核心地核与地函分界不明显,成为无核心之星球。如果能在某个超级地球的岩石中找出氧化镁之存在,可推估氧化镁会以液态形式存在于超级地球内部,从而可推导出该星球地函处可产生磁场。[73]

参见

参考文献

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