超级地球、迷你海王星......宇宙行星究竟有多少种？

个人简介

迪迪埃·奎罗兹（Didier Queloz），瑞士天文学家，2019年诺贝尔物理学奖得主，世界顶尖科学家协会会员，剑桥大学卡文迪许实验室和日内瓦大学天体物理学教授。

研究方向

主要研究方向为系外行星、恒星物理学、宇宙生命等，通过探测系外行星，了解其物理结构并与太阳系进行比较，来更好地了解它们的形成和演化。1995年，他与米歇尔·马约尔一起发现了太阳系外第一颗巨行星，并因此而荣获了2019年诺贝尔物理学奖。最近，他正在领衔由剑桥大学发起的新研究计划，旨在召集多学科的科学家共同努力，以期发现地球以外的生命，进一步了解宇宙中的生命。

今天讨论的是一个热门的天文学问题，即围绕其他恒星运行的行星。

我们先说说太阳系的行星。你能认出这些行星吗？比方说木星、海王星，或者地球、金星，它们是我们的目标行星。围绕它们，我们可以像生物分类一样给行星进行树状分类，而且可以分出很多类型。

太阳系行星模型 图 | Didier Queloz

下图中有数百个行星，以质量（X轴）和半径（Y轴）分布，均以地球作为标准。

系外行星质量与半径的分布 图 | Didier Queloz，编辑：水兄

如何看懂这张图？

右上角有很多让人震惊却又不太熟悉的巨型气态行星，它们大多数都很热，离恒星非常近，而且还轻微地膨胀，密度比木星低得多，它们至今依然是个谜。图片上木星所在的灰色虚线，是指木星的密度。如果你移走一定质量的物质（沿着X轴向左小幅移动），你会发现行星的半径并没有很大变化。但如果你继续沿着这条线向左移动，就会发现半径会随质量相应减小。

当质量接近海王星时，却得不到与海王星一样的半径。所以，海王星应该有着不同的结构——它的密度相对来说大很多，半径却显得偏小，因此它相当“结实”。原因是海王星中的气体更重，主要是氮气，而木星和土星，主要是氢气和氦气。

比较有趣的是图片中间的蓝色虚线，这表示的是一种只有水构成的假想中的行星，它并不存在，但它能帮助我们理解行星是否由水构成。当然，实际上行星核心的密度相对会非常大，那么（如果有这么一颗行星），中间可能是冰、热水，外面则是气体和水。海王星在这条虚线之上，说明它的密度小于由水构成的行星，因为海王星有一些较轻的气体，比如氢和氦。就在蓝色虚线附近，我们现在已经发现了很多系外行星，它们和海王星并不完全一样。令人惊讶的是，它们有着相似的质量，但半径差异较大。

再看图片下方的绿色虚线，这就是地球的密度，你可以认为沿着这条虚线分布的所有行星都有着与地球类似的结构，从某种意义上讲就是典型的岩质行星。而上方蓝色虚线区域里的可以被称为水质行星，类似海王星的行星。再上方的是亚巨行星。现在你可以看到，围绕着行星密度可以得出惊人的多样性。你几乎找不到一颗与海王星有着相同质量和直径的行星。有些行星比较轻（分布在海王星的上方），形成了类气态行星，有些则密度更大（分布在海王星的下方），接近地球的密度。很明显（从分布图上看），为数众多的系外行星，它们的质量与直径位于太阳系的几个行星参数之间，对此我们感到很震惊。

如何探测系外行星结构？

这些系外行星是我们真正的研究对象。所以我们设计了一个方法，与我们测量的半径相结合，推测它们的结构。当行星在恒星前经过时，这个现象叫做凌星，我们可以得知行星的一个理想轨道。有一段时间，行星经过恒星面前；另一段时间，行星运行到恒星背后，这就跟日食一样。从天文学的角度来讲，我们能从这两个事件中了解到行星的大小。如果你用望远镜观测到行星完全运行到恒星背后时，才是你唯一能看到恒星的时候，这个点对应的光通量才是一颗恒星本身的光度，而上方的黑点对应的光度则全部来自行星（如下图所示）。

行星凌星时恒星的光度变化曲线，上图为全过程图，下图为放大图。

图 | Didier Queloz，编辑：水兄

这些点组成的图形称之为相位函数，因为整个过程与月相类似。行星会在某一个时刻，也就在它运行到恒星背后的一瞬间，向我们展示它黑暗的一面。我们利用这一点，可以了解行星大气层的本质——行星上到底是有很多气体呢，还是什么也没有，只有光秃秃的石头呢？它们在光变曲线上呈现出的形态会截然不同。

还有什么方法可以判别大气结构？

我们还做了别的研究，使用不同波段观测凌星本身。这种方法类似我们从国际空间站观察地球大气层（如下图）。大气层之所以呈现出蓝色，是由大约20千米高的大气层发生瑞利散射造成的。

可见光波段拍摄到的地球 图 | Didier Queloz

但是，如果你在红外线下，比如波长为8.6微米，拍摄同样角度的照片，你就看不到大气层了，只能看到这颗星球裸露的表面，你会发现行星“变小了”。

8.6μm波拍摄到的地球。白色的为月球，注意月球和地球之间存在明显的缝隙。

图 | Didier Queloz

如果你使用波长为9.6微米的红外线拍照，可以看到大气层最顶部，也就是吸收能力很强的臭氧层。三张照片，角度都没变，唯一改变的就是拍摄照片的波长。

9.6μm波拍摄到的地球。 图 | Didier Queloz

于是，我们可以将完全相同的方法应用到系外行星的观测当中。同样是观察行星运动至恒星背后或者恒星面前时，恒星光度的变化，但是接受不同波长的光线，仔细观察比较恒星光变曲线形状有哪些不同。我们能从某种X射线或从地层学角度来判断行星大气的组成。有了这个方法，我们便可以得到这颗行星的全新面貌。

行星比我们想象得更为多样化

如下图所示，首先，我们确定好地球、冰巨星（海王星）和巨行星（木星）的位置，我们知道有不少行星介于它们之间。举一个例子，或许存在一种不完全像海王星，却又更像木星的行星，它有着一个更大的核，以及介于海王星和木星之间的大气层。

对行星结构的讨论。 图 | Didier Queloz

而在地球与海王星之间，我们可以得到很多类型的行星。你可以想象把地球撑大些，有着巨大的岩石层和稀薄大气的行星；也可以有小一些的岩石核以及很深的水层的行星，这就是我们所说的海洋行星。当我说“深”的时候，指的可不是30、50公里，而是1000公里，所以这会是非常非常特别的海洋。你也可以想象用气体代替水，这就成了气体矮行星。你还可以加一层较轻的气体、一层较重的气体或者水，以及一个内核，这样就制造了一个类似迷你海王星的东西。

你看，我们得到了那么多种行星，要不然怎么会出现这些命名：超级地球、迷你海王星、超级海王星等等，这就是我所说的“行星的多样性”。现在我们有好几项空间观测任务，去尝试深刻理解这种多样性，然后与太阳系中的行星进行对比。

参考文献

根据2021年7月17日“飞向无尽的宇宙”天文高端国际会议上迪迪埃·奎罗兹的报告整理。

题图来源：NASA

编辑：水兄

审核：林清（上海科技馆天文研究中心主任）

鸣谢：世界顶尖科学家协会上海中心