寻找另一个地球1

我们在其他恒星周围发现了许多和地球大小相仿的行星，但它们究竟和地球有多相像呢？

在巨蟹座里，有一颗肉眼可见的恒星，它的大小与太阳差不多。这颗恒星周围有五颗行星绕行；有些行星甚至比木星更大，还有一颗和地球差不多大。但这个星系和太阳系差异非常，实际结构比理论上预测的更为特殊。

该恒星即巨蟹座55（55 Cancri）。天文学家依照行星的发现顺序，在恒星的名称之后加上了从b开始的小写字母，以便标记这些行星。因此，巨蟹座55e便是在巨蟹座55周围首批发现的第四颗行星。

科学家通过观测巨蟹座55受周围行星重力牵引产生的周期性运动，发现了该星系的五颗行星。这项技术称为“径向速度法”；恒星光谱的多普勒效应能让我们推算出行星的质量及其轨道周期。天文学家发现，巨蟹座55e是离母恒星最近，且质量最小的行星，质量约为地球的8倍。

根据其质量，巨蟹座55e被归类为“超级地球”──这是种在太阳系中不存在的行星类型。太阳系的行星可区分为两类：一类是像地球和火星这样的岩质行星，具有固态表面和稀薄大气层；另一类是像木星和海王星这样的气态巨行星，由数万千米厚的稠密气体包裹着固态核心。我们仍不清楚超级地球的物理构成，其质量介于太阳系中最大的岩质行星（地球）和最小的气态巨行星（天王星）之间。那么，巨蟹座55e究竟属于哪种类型？

CoRoT-7b这样的超级地球，其半径介于地球和海王星之间

要判断这类行星的性质，关键方法之一是测量其半径。结合质量与半径数据，可以计算出平均密度：若密度较低（约1.3 g/cm³），表明行星可能拥有厚层氢氦大气；若密度接近地球（5.5 g/cm³），则主要由硅酸盐和金属构成。

虽然径向速度法无法直接测定行星半径，但若行星轨道恰巧与观测视线对齐，当其经过恒星前方时（即发生凌星现象），恒星亮度的微小下降可揭示行星大小。这种凌星法与径向速度法结合，已帮助确认了目前96%的已知系外行星。

开普勒太空望远镜发现的系外行星候选体超过4,400颗，其中2,300余颗已通过后续观测确认。

精确测定行星质量和半径极具挑战性：并非所有行星都会发生凌星，且小质量行星对恒星运动的影响极难探测。但巨蟹座55e是一个幸运案例——NASA的斯皮策太空望远镜成功捕捉到其凌星信号，测得该行星半径比地球大20%。

巨蟹座55e的平均密度为4.0 g/cm³，这一数值远高于气态巨行星（通常<1.6 g/cm³），明显低于纯岩质行星（如地球的5.5g/cm³）。这种异常密度催生了多种理论，其中一些预测的景象令人惊叹：

理论一：富大气超级地球

巨蟹座55e可能拥有以硅酸盐为主的核心，但被异常厚密的大气层包裹。由于其质量是地球的8倍，表面重力足以束缚大量轻元素（如氢、氦）。即使这些轻元素仅占行星总质量的0.1%，也足以显著增大行星半径，使整体密度降至观测值。

回答这个问题的方法之一便是测量行星的大小。有了质量和尺寸，就能计算出平均密度。若密度较低，约每立方厘米1.3克，就表示该行星主要由大气组成；若密度与地球相近，约每立方厘米5.5克，就代表该行星以岩石为主。

虽然无法从恒星位置的摆动来推断行星的大小，但从地球上进行观测时，行星若恰好经过恒星前方，挡住部分的恒星光芒，造成亮度些微地下降，就可借此测量出行星的大小。此法称为“凌日法”，辅以径向速度法，就找到了目前96%的已知系外行星。

混合行星的理论虽看似颇有说服力，但问题是：巨蟹座55 e离母恒星极近，只需18小时就能绕行母恒星一周。相对地，太阳系最内侧的行星（水星）却要88天才能公转一周。水星如此接近太阳，导致其平均温度为摄氏2000度。这种炙热的高温会让较轻的气体加热散逸，仅剩较稀薄的大气，或甚至完全没有。若不太可能有厚实大气，那该如何解释巨蟹座55 e的低密度？另一个说法则是：这是由某种特殊形式的水所造成。

在比水星更热的行星上，虽然不可能存有液态水，但水却能以名为“超临界”的相态存在。这种流体能存于极高的温度和压力之下，好比火箭发射时的燃料。超临界水既非液体也非蒸气，而是介于两者之间。若造访充满超临界水的行星，将如同坠入五里雾中，分不出海与天的交界。

第三种对于巨蟹座55 e密度的解释则为：其地函由钻石构成。巨蟹座55的大小虽与太阳相仿，但含碳量较高；由于恒星和行星是由相同的灰尘和气体所形成，若恒星的含碳量高，周围的行星理应会富含碳。

虽然碳是生物的主要组成成分，却仅占地球质量的0.2%。碳含量如此之低的原因在于：只有在寒冷的太阳系外部区域──气态巨行星的生成之处──碳才会冷凝成固体。地球附近的碳是以蒸气的形式存在，形成行星的颗粒则是由硅酸盐和铁所组成。若碳的比例增加，碳就会开始取代氧，并与硅结合，形成碳化硅岩石，而非地球上出现的硅酸盐。

若行星的岩石是由碳和硅组成，而不是氧和硅，其质量和半径就可能和巨蟹座55 e相符。这样的行星别说是超临界水，可能连水都没有。

当含碳量高时，氧会与碳结合、形成有毒的一氧化碳，导致能与氢键结成水的氧变得稀少，整个行星系统可能因此干燥无比。即便巨蟹座55 e能与恒星离得更远，在富含碳的情况下，可能仍不宜居。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：孙明轩 上海工程技术大学 教授