想象一下，在夏夜仰望天空。你望着一颗特定的星星的方向，你听说它有一颗特别的行星在绕其运行。虽然你实际上看不到这颗行星——你几乎看不到星星本身——但你知道它比地球大几倍，并且像地球一样，主要由岩石构成。地震有时会震动它的表面，其大部分被海洋覆盖。它的大气层与我们呼吸的大气层没有太大不同，它的天空经常被风暴席卷，并经常被火山灰染成黑色。但最重要的是，你知道科学家们认为它可能孕育生命——并且他们计划寻找生命存在的证据。
这种情况可能在未来十年内成为现实。虽然迄今为止发现的 450 多个太阳系外行星大多是更像木星的巨行星，但天文学家们开始发现一些可能与地球不太不同的行星。而美国宇航局的开普勒探测器，一颗去年发射升空的行星猎手，将发现更多行星。
当然，这些世界距离我们有数光年之遥，因此即使是我们最先进的仪器也无法真正看到其表面的细节——山脉、云层、火山——而且可能永远也看不到。通常，我们所有的望远镜所能做的只是探测行星存在的间接迹象，并帮助我们估计它的质量和轨道宽度。在某些情况下，它们还可以提供关于行星直径以及其他一些细节的信息。就巨型系外行星而言，这些细节可能包括关于大气成分和风力动态的估计。
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这与能够测量关于地质、化学或其他特征的任何具体事物相去甚远。然而，通过这些少数几个数字，研究人员可以推断出遥远行星的惊人复杂的肖像，他们结合了理论建模、计算机模拟甚至实验室实验，以及关于地球和太阳系其他行星的既有知识。
例如，在我们的研究中，我们对成分类似于地球的行星进行了建模。我们发现，即使这些行星比我们的世界质量大得多，它们也应该是地球物理活跃的，并且拥有可能对生命友好的大气层和气候。事实上，我们已经了解到，地球的质量可能处于行星适宜居住所需范围的下限。换句话说，如果地球再小一点，它可能会变得像火星和金星一样毫无生机。
第一批超级地球
寻找可能孕育生命的行星的梦想，最初将本文作者的职业生涯交织在一起。我们当中较年长的作者（萨塞洛夫）大约在十年前偶然进入这个领域。第一批太阳系外行星是在 20 世纪 90 年代中期发现的，主要使用“摆动”法，该方法通过行星对其恒星的引力效应来探测行星的存在；天体的引力拖拽着宿主恒星，使其在交替的方向上加速，这可以检测为从恒星接收到的光谱的偏移。
最初，一些持怀疑态度的科学家怀疑摆动是否可能是由恒星的物理特性而不是由绕轨道运行的行星引起的。这就是萨塞洛夫——一位天体物理学家，因此是恒星而非行星方面的专家——参与进来的原因：他的专长是显示光度周期性变化的恒星。他帮助解决了摆动问题：摆动确实是由行星引起的。天体物理学家拥有了寻找系外行星的强大工具。
然后，萨塞洛夫加入了一个科学家小组，他们提议建造开普勒太空天文台来寻找系外行星。该探测器最终于 2009 年进入轨道。它旨在通过跟踪恒星亮度的微小下降来探测行星，这种下降通常持续几个小时；如果这种下降以规则的间隔发生，则表明一颗行星正在绕恒星运行，并定期从其前方经过。该望远镜对准天鹅座附近天空中的特定区域。它的广角数码相机正在连续三年监测大约 150,000 颗恒星。一旦积累了足够长时间的数据，预计开普勒将发现数百颗新行星，其中一些小至地球。
在任务计划的早期，萨塞洛夫意识到，尽管开普勒将产生大量信息，但科学家们不一定知道如何利用所有这些信息。例如，令他惊讶的是，他了解到没有人尝试对类地大行星的地质过程进行建模。因此，他开始与哈佛大学地球内部动力学专家理查德·奥康内尔合作。
当时，我们中的另一位作者（瓦伦西亚）已开始在哈佛大学攻读地球物理学博士学位，打算专注于地震学，并且正在上奥康内尔教授的地质动力学课程。在与萨塞洛夫进行了一次谈话后，奥康内尔要求他的班级思考，如果地球有更大的质量，地球的大小会发生什么变化。额外的引力会使地球内部压缩多少？这个问题吸引了瓦伦西亚，并改变了她的研究生涯。
在我们的太阳系中，地球是岩石行星或类地行星中最大的一颗。因此，科学家们不习惯于思考成分相似但质量是地球数倍的行星——超级地球，暂且称之为这个不太好的词。该领域是如此新，以至于 2004 年我们的合作项目提交了关于超级地球的第一篇论文以供发表时，期刊编辑花了将近一年的时间才找到具有正确专业知识的科学家来审阅它。事实上，早期许多行星科学家对我们选择的研究课题感到困惑。那时发现的唯一系外行星是木星级的气体巨行星，而不是超级地球。为什么有人会想研究可能不存在的行星呢？
仅仅几个月后，在 2005 年，我们的努力得到了证明。加州大学圣克鲁兹分校的欧金尼奥·里维拉和他的合作者使用摆动法，发现了一颗绕着宝瓶座的恒星格利泽 876 运行的行星。这是第一颗已知的超级地球。
我们知道，这颗名为 GJ 876d 的行星仅用两天时间绕其太阳运行一周，其质量约为地球的 7.5 倍。但这几乎就是我们能说的全部了。特别是，我们无法找出 GJ 876d 的平均密度（即质量除以体积），从而推测其成分，因为我们无法测量其大小。然而，轨道凌星可以揭示大小：行星使母星光线变暗的程度会告诉你行星的直径。如果你也测量了摆动，那么你就有了质量和直径，因此你可以计算出平均密度。如果密度很高，像岩石一样，那么你的行星可能是一颗岩石行星。
凌星法是天文学家在 2009 年初使用法国的 CoRoT 空间望远镜（开普勒的前身）发现第一颗凌星超级地球 CoRoT-7b 的方法。这颗行星非常致密，肯定是由岩石构成的。它离它的恒星太近了——它的一年不到地球的一天——以至于它的向阳面表面一定是永久熔化的。（轨道紧凑的行星会被潮汐锁定到它们的恒星上，因此它们总是向着它展示相同的面，就像我们的月球对地球一样。）仅仅 10 个月后，哈佛-史密森天体物理学中心的戴维·查博诺领导的一个地面项目发现了第二颗凌星超级地球。它被称为 GJ1214b，它之所以不寻常，是因为它的密度更接近于水而不是岩石，这表明它一定有一个厚厚的气体包层。
因此，这两颗行星都不像我们的地球。我们正在寻找适宜居住的类地世界，但似乎遇到了怪物。其他怪异之处也可能出现。例如，在非常富碳的恒星周围，固态行星不会主要由硅氧化合物组成，就像我们太阳系的类地行星一样，而是由与碳结合的硅组成。这将是一种非常不同的行星，其内部主要由金刚石构成，这是碳压缩的结果。
但是，由于大多数太阳系（包括我们的太阳系）具有相似的成分，研究人员预计，大多数超级地球的组成将与地球的组成接近——主要由与氧和镁结合的硅、铁和少量其他元素组成——通常还含有大量的水。很快我们将发现许多这样的行星，因此尝试更多地了解它们是值得的，首先从它们内部的物理学开始。
前往超级地球的中心
应该存在两种主要的超级地球类型，具体取决于行星在太阳系中的形成位置。那些在离恒星足够远的地方形成的行星会吸收大量绕新恒星运行的原始冰粒子，并且水最终将比太阳系类地行星的水在行星质量中占更大的份额。另一方面，那些在离恒星较近的地方形成的行星，那里太热以至于冰无法存在，最终会相对干燥，就像地球及其在太阳系中的类地行星一样。
一颗岩石行星最初会是以熔融物质的热熔混合物的形式出现，并立即开始通过向太空辐射热量来冷却。铁基和硅酸盐基晶体将在凝固的岩浆中形成。根据氧气的量，一些铁不会被结合到矿物中。这种铁将保持液态，并且由于密度较高，将沉到中心。然后，就像地球一样，行星将呈现洋葱状结构，具有铁核和主要由硅酸盐构成的地幔。
与地球大小的行星相比，较大行星的内核会出现差异。在地球内部，经过数十亿年的时间，地核已经冷却到足以使内核的内部部分凝固，而外核仍然是液体，因此它在对流电流中翻腾。外核的对流被认为是产生地磁场的引擎。
但是，根据最近的理论计算，在大型行星内核中存在的压力下，即使在高达 10,000 开尔文的温度下，铁也可以凝固。这些高温可能只有在行星非常年轻时才会超过。但是，稍微冷却一下就足以使超级地球的内核凝固。因此，典型的超级地球可能具有完全固态的铁核，并且没有全球磁场。在地球上，磁场有助于保护我们免受太阳风和宇宙射线的有害影响，尤其是在陆地上。但我们不确定它是否是适宜居住的必要条件。
富含水的行星会发展出更不熟悉的特征。厚厚的水层——一个单一的海洋——将包裹着行星。并且在海洋深处会发生一些奇怪的事情。水在冷却时会变成冰，但在压缩时也会变成冰。因此，在硅酸盐地幔的顶部，将形成另一个由炽热发光的冰组成的固态地幔。这不会是普通的冰，而是名为冰 VII、冰 X 和冰 XI 的晶体结构，迄今为止仅在实验室实验中观察到。
无论是否富含水，超级地球由于质量更大，都会将其内部压缩到难以想象的压力。因此，质量更大的行星将比成分相同的质量较小的行星更致密。在如此极端的条件下，坚硬的岩石材料甚至比我们星球内部的材料还要坚硬，甚至可能比金刚石还要坚硬。类地材料在这些非常高的压力下表现如何？在这方面，研究人员也在使用理论模型和实验来更好地了解超级地球。
例如，近年来，科学家们在地球上发现了一种新的材料结构排列或相，称为后钙钛矿 [参见 Kei Hirose 的文章“地球上缺失的成分”；大众科学，六月]。虽然它仅构成地球地幔的一小部分，但它将构成超级地球地幔的大部分。理论表明，可能存在密度更高的相，但实验尚未证实其存在。
一旦我们了解了行星的结构以及构成这些层的材料，我们就只完成了一半。下一步是了解该结构的动力学——或者说缺乏动力学。换句话说，要弄清楚行星是像地球一样地质活跃，还是像火星一样几乎静止和冻结。
在地球上，地幔对流是大多数地质过程的引擎。在构成地球表面的板块下方，地幔翻腾，因为它将其内部热量输送到表面，然后在冷却后沉回，类似于沸腾的水壶中的对流。热量部分是行星形成后留下的，部分来自地幔中放射性元素的衰变。我们预计岩石超级地球具有类似的放射性热源浓度，或者至少是铀和钍的浓度，因为这些元素均匀分布在整个星系中，并且在形成过程中也容易被纳入行星。因此，与我们的家园行星相比，质量更大的地球类似物产生更多的内部热量，这将转化为更剧烈的地幔对流。
黄金地段
强烈的搅拌有几个后果，最终会影响行星的宜居性。一个或许出乎意料的后果是，较大的行星应该有更薄的板块。地幔对流在表面表现为板块构造。当板块下方的地幔翻腾时，板块会移动。当两个板块碰撞时，其中一个板块可能会滑到另一个板块下方，然后沉回地幔，这个过程称为俯冲。板块在洋中脊处开始时非常薄，在那里它们部分由上升到表面的熔融地幔物质形成，并随着时间的推移而冷却并向俯冲带移动而变厚。根据我们的模型，较大行星上的对流会产生更大的力和更快的翻腾速度。因此，板块移动得也更快，因此它们冷却和变厚的时间更少。由于更薄，板块更容易变形，但更强的重力会给断层施加更大的压力，这使得它们更难以滑动。最终效果是，不同大小行星的断层阻力并没有太大差异。
板块构造似乎比在较小的岩石行星上更容易在超级地球上维持，这是一件好事，因为板块构造可能有利于宜居性。在地球上，地质活动，特别是火山活动，不断地将二氧化碳和其他气体喷射到大气中。二氧化碳与硅酸钙反应，产生碳酸钙和二氧化硅，两者都是固态，最终以沉积物的形式沉积在海底。当洋壳俯冲回地幔时，它会携带富含碳的沉积物。因此，俯冲会用碳补充地幔，从而使其最终返回大气层。这个所谓的碳-硅酸盐循环充当调节全球表面温度的恒温器。在地球上，这个循环帮助将温度在数十亿年内保持在接近液态水的温度。同样，板块构造循环利用其他对生命重要的矿物质和气体，包括富含能量的化学物质，例如硫化氢，这些物质可能在光合作用进化之前为生命提供了燃料。
凭借超级地球更剧烈的对流，板块生成和俯冲的时间尺度变得更短，这使得碳-硅酸盐循环更快、更稳健。从某些方面来看，超级地球可能比地球大小的行星更适合生命居住。此外，它们更大的质量将有助于这些行星保持其大气层和水分，防止其逃逸到太空。对于比火星更靠近其恒星的行星来说，这是一个特别的问题。
将地球与不同大小的超级地球的理论模型进行比较，我们发现各种稳定的类地行星条件，但这仅仅是一个勉强包括地球的行星家族。由于体积较小，地球在许多方面更脆弱。在我们的太阳系中，较小的行星在地质上相当静态。金星似乎勉强能够移动其板块，但火星在其历史早期变得停滞不前，现在产生的排放物不足以取代其正在变薄的大气层。似乎我们的行星勉强足够大，才得以逃脱这种命运。尽管如此，板块构造是否真的对生命存在至关重要，目前尚不清楚。
明信片般的图片
固态超级地球上的景观会是什么样的？乍一看，它们可能看起来与我们星球上的景观没有太大不同——除了生命迹象，这可能是也可能不存在的。地质过程将产生大陆、山脉、海洋和大气层，包括云层等等。
然而，构造板块的移动速度将比地球上快 10 倍。山脉的生长和侵蚀速度会更快，而且由于更强的重力，它们不会升得那么高。（这些山脉将与我们较小的邻居火星上的山脉形成鲜明对比，火星上的奥林匹斯山是太阳系中最高的山脉，高达 21 公里。）由于更高的火山活动和大气气体逃逸到太空的不同速率，大气层的成分也可能有所不同。
超级地球行星探索的时代才刚刚开始。我们预计开普勒太空任务将带来丰富的超级地球成果——数百颗。开普勒之后的下一步将是研究这些行星的大气层，看看我们是否能找到任何生命迹象。为了实现这一目标，我们需要确定至少两件事——行星是由什么构成的，以及它的大气层中富含哪些气体，这与行星内部的动力学有关。
通过将来自行星的光线分解成彩虹般的颜色，科学家们将能够从中看到水、二氧化碳和甲烷等分子的光学指纹。在几年内，哈勃太空望远镜的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜应该会睁开其红外之眼，并允许我们瞥见超级地球的大气层。新望远镜将需要研究目标——其中一些目标将从开普勒发现的最佳和最近的行星中选择。
幸运的是，正在构思的全天区地面搜索和作为开普勒后续行动的太空任务将发现一些凌星超级地球，它们非常靠近我们，因此相对容易研究。