超级地球

**超級地球**是太陽系外行星，其質量高於地球，但遠低於天王星和海王星一類的太陽系冰巨星，後者分別是地球的 14.5 和 17 倍。它僅是指行星的質量，並不意味著有關表面狀況或可居住性。自從 2005 年格利澤 876d 被尤金尼亞・里維拉（Eugenio Rivera）所率領的團隊發現之後，相繼有數顆超級地球被世人發現。地球作為太陽系中最大的類地行星，其所身處的太陽系並不包含這一類能被當作範例的行星，舉凡那些體積大過地球的行星，質量至少都在其十倍以上。

## 定義

在一般情況下，超級地球只以質量作為判定條件，而溫度、組合成分、軌道屬性、適居性、或星球環境等條件則不包括在內。目前在超級地球質量上限定義上，普遍認同為地球質量的 10 倍（約天王星質量的 69%，這是太陽系的氣體巨型最小的質量），而下限為地球質量的 1 倍、1.9 倍、5 倍不等，在不同的大眾媒體下有不同的標準。 一些學者進一步指出，在超級地球定義上應該增加是否有顯著的大氣層；或是不但有大氣層，還有固態表面或如海洋行星般，有著廣大的海洋且有一層大氣層覆蓋其上，這種類型的行星沒有出現在太陽系內。若系外行星超過地球質量 10 倍的上限，依照其是否由岩石、冰、或是氣體組成成分，確定該行星是否為類地行星、巨無霸行星、或是氣體巨行星 。

## 歷史和發現

在太陽系內沒有超級地球類別的行星，因為地球在太陽系內為最大的類地行星，而太陽系內大於地球的行星其質量皆至少地球質量的 14 倍。

### 首顆

亞歷山大・沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）與戴爾・費雷歐（Dale Frail）在 1992 年發現脈衝星 PSR B1257+12 旁有著系外行星，其外圍兩顆行星質量皆為地球的 4 倍左右。

以尤金尼亞・里維拉為主的一支團隊於 2005 年發現了首顆圍繞主序星的超級地球，它因繞行格利澤 876 公轉，而被命名為格利澤 876d（先前已有兩顆體積近似木星的類木行星在其星系中被發現）。它的質量估計有地球的七點五倍大，軌道周期相當短，只有兩天左右。鑑於格利澤 876d 的與日距離，它高溫的表面最高可到華氏 650 度。

### 位在適居帶的第一顆

2007 年 4 月，由斯特凡・烏德里所領導一支根據地在瑞士的團隊，宣布在格利澤 581 周邊可棲息區域的邊陲發現兩顆新的超級地球，其表面有可能存有液態水。有地球質量五倍大，距離格利澤 581 為 0.073 天文單位或一千一百萬公里的格利澤 581c，座落在可棲息區域的「暖陲」，其平均溫度（不考慮來自大氣的影響），估計在反照率可比照金星的攝氏零下三度，至反照率可比照地球的攝氏四十度之間。

### 其他被發現的超級地球

#### 2006 年

2006 年兩顆超級地球陸續被發現，經由微引力透鏡所發現的 OGLE-2005-BLG-390Lb，質量為地球的五倍，另一顆 HD 69830 b 的質量則是地球的十倍。

#### 2008 年

2008 年，一顆名為 MOA-2007-BLG-192Lb 的超級地球被發現，這顆星球是已知的質量最小的超級地球之一。該星球是由天體物理學家大衛.P. 巴內特等人於紐西蘭約翰山大學天文台進行天文物理重力微透鏡觀測（HARPS）時，於 2008 年 6 月 2 日發現。該星球的質量約是地球的 3.3 倍大，其母星為一褐矮星，發現該星球時是因為發生一次微引力透鏡現象而發現之。

2008 年 6 月，歐洲南天天文台研究團隊宣布在一顆名為 HD 40307 恆星周邊，發現三顆超級地球。這三顆行星其質量從小到大分別為地球質量的 4.2 倍、6.7 倍、及 9.4 倍，發現時都是使用高精度徑向速度行星搜索器以徑向速度法於智利發現。

歐洲南天天文台研究團隊另外也宣布，在一顆名為 HD 181433 恆星周圍，發現一顆地球質量 7.5 倍大的超級地球，該恆星另有兩顆行星為氣體巨行星。

#### 2009 年

2009 年 2 月 3 日，一顆名為柯洛 7b 的超級地球被發現，該星球質量初步估計為地球質量的 4.8 倍，軌道周期為 0.853 天。在估計柯洛 7b 的密度時，顯示它可能是一顆矽酸鹽行星，類似於太陽系類地行星。 在柯洛 7b 被發現後，一顆名為 HD 7924 b 的超級地球被發現，該星球是首顆在 G 型主序星等級以上發現的超級地球。

2009 年 4 月 21 日，瑞士日內瓦大學天文學家米歇爾・麥耶所帶領的團隊宣布發現一顆名為葛利斯 581e 超級地球，該行星的質量至少為地球的 1.9 倍，半長軸為 0.03AU，公轉周期約 3.15 天，顯示其並非在適居帶上，該星球顯示有潮汐加熱現象，並且比木衛一至少劇烈 100 倍。

2009 年 12 月，MEarth 計劃大衛・夏邦諾等人發現一顆名為 GJ 1214 b 的超級地球，直徑大約是地球的 2.7 倍，其圍繞之恆星格利澤 1214 發光度及體積比太陽小。哈佛大學天文學教授兼 MEarth 計劃主持人大衛・夏邦諾認為該星球可能有液態水 ，然而之後的星球模型顯示，在大多數情況下，它不具有液態水。

總計至 2009 年 11 月為止，共有 30 個超級地球被發現，其中 24 個是首次發現是使用高精度徑向速度行星搜索器（HARPS）觀測的。

#### 2010 年

2010 年 1 月 5 日，名為 HD 156668 b 被發現，其質量至少為地球質量的 4.15 倍，這是利用徑向速度法發現第二小系外行星，僅大於 2009 年發現的格利澤 581e。

2010 年 8 月 24 日，日內瓦大學教授克里斯多福・洛維斯（Christophe Lovis）領導的團隊利用歐洲南方天文台智利拉西拉天文台 ESO 3.6 米望遠鏡上的高精度徑向速度行星搜索器（HARPS），於太陽型恆星 HD 10180 發現其擁有至少 7 顆系外行星環繞著。當中 HD 10180 b 初估其質量至少為地球質量的 1.35 ± 0.23 倍，這是至此發現在主序星軌道上質量最小的系外行星。雖然未經證實，但此 7 顆系外行星存在的機率為 98.6％。

2010 年 9 月 29 日，美國國家科學基金會宣布在紅矮星葛利斯 581 上，發現一顆名為葛利斯 581g 的超級地球，該星球質量至少為地球質量的 3.1 倍，半長軸為 0.146AU，公轉周期約 36.6 天。在葛利斯 581 星繫上，距恆星距離從裡到外排第四，於葛利斯 581c 與葛利斯 581d 之間。此行星由華盛頓卡內基學會和加州大學聖克魯斯分校（UCSC）等機構利用徑向速度法發現。然而有部分天文學家及團隊包括 ESO 和 HARPS 研究小組對葛利斯 581g 的存在產生質疑，目前太陽系外行星百科仍將葛利斯 581g 列為未證實系外行星。

#### 2011 年

2011 年 2 月 2 日，克卜勒太空望遠鏡任務宣布一項主要研究結果，至少列出 1,235 顆候選行星，其中 68 顆為**地球等級**〈Rp < 1.25 Re， Rp：星球半徑、Re：地球半徑〉，288 顆為**超級地球等級**(1.25 Re < Rp < 2 Re)，另 54 個已確認位在適居帶。有 6 顆位在適居帶的候選行星的半徑小於地球半徑兩倍，6 顆候選行星分別為 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）。 近期研究顯示，其中一顆候選行星（KOI326.01）其體積可能比首次結果顯示更大，表面溫度也比首次結果顯示更熱。基於近期克卜勒太空任務的發現，美國天文學家賽思。肖斯塔克〈Seth Shostak〉估計在距離地球一千光年內，至少有 30,000 顆星球是人類可居住的世界。克卜勒太空任務團隊也基於研究結果，估計銀河系至少有 500 億顆行星，其中至少 5 億顆行星在適居帶上。

2011 年 8 月 17 日，兩組歐洲科學家團隊分別發現 HD 85512 b，以及繞行天園增三的三顆系外行星，這兩組發現的超級地球皆可能位在適居帶上。如果 HD 85512 b 覆蓋著 50％的雲層，水便可能以液態的形式存在於行星表層。 在隨後不到一個月期間，包括 10 顆超級地球在內的 45 顆系外行星被科學家發現。

2011 年 12 月 5 日，NASA 克卜勒太空望遠鏡發現第一個位於類太陽恆星適居帶的太陽系外行星，該行星名為克卜勒 22b，半徑為地球半徑的 2.4 倍，距離其母恆星克卜勒 22b 的距離比地球距離太陽少 15%。母恆星克卜勒 22 半徑比太陽略小，溫度比太陽低，依此推論克卜勒 22b 表面溫度類似於地球，顯示克卜勒 22b 可能存在於液態水。

2011 年 12 月 5 日，克卜勒太空望遠鏡任務小組宣布已經發現 2,326 顆候選行星，其中 207 顆與地球大小相似、680 顆是超級地球、1181 顆為海王星大小、203 顆為木星的大小、55 顆則比木星更大。相較於 2011 年 2 月的數據，與地球大小相似及超級地球等級的行星數量分別增加了 200％和 140％。此外，48 顆候選行星被發現在適居帶，該數據對照於 2 月期間為下降，這是由於十二月數據使用的是更嚴格的標準來判定候選行星是否在適居帶。

2011 年，巨蟹座 55e 星球密度計算結果顯示略大於地球密度，該星球半徑約地球半徑的 2 倍，直至 2014 年為止確認其沒有氫氣組成的大氣層前，巨蟹座 55e 是發現最大的行星。

2011 年 12 月 20 日，克卜勒太空望遠鏡任務小組宣布第一次發現 2 顆與地球體積類似的行星，分別為克卜勒 20e 與克卜勒 20f，兩顆行星皆位在克卜勒 20 行星系統上。

葛利斯 667Cb 是由 HARPS 團隊宣布與其他 29 顆行星同時於 2009 年 10 月 19 日發現，而葛利斯 667Cc 則由相同團隊於 2011 年 11 月 21 日的論文公開，另葛利斯 667Cc 詳細資料於 2012 年 2 月公布。

#### 2012 年

2012 年 9 月，葛利斯 163 旁發現 2 顆系外行星。 其中一顆行星葛利斯 163c 的質量大約是地球的 6.9 倍，表面溫度略高於地球，並可能位於適居帶上。

#### 2013 年

2013 年 1 月 7 日，克卜勒太空望遠鏡的團隊發現克卜勒 69c，其半徑為地球半徑的 1.5 倍，軌道位置在該恆星的適居帶中，其母恆星克卜勒 69 為類太陽恆星。克卜勒 69c 可能是有外星生命的星球之一。

2013 年 4 月，美國國家航空暨太空總署以威廉。伯魯奇（William Borucki）領導的團隊，以凌日法搜尋太陽系外行星的克卜勒太空望遠鏡觀測視野時，在距離地球約 1200 光年克卜勒 62，其適居帶內發現 5 顆系外行星。這五顆超級地球的半徑從小到大為地球的 0.54、1.3、1.4、1.6、及 1.9 倍。其中克卜勒 62e 與克卜勒 62f 的理論模型顯示，這兩顆行星可能擁有固體表面，其表面可能是岩石，或是岩石與固態水組成。

2013 年 6 月 25 日，歐洲南天天文台發布消息，宣稱在葛利斯 667C 的適居帶內同時找到 3 顆超級地球，並且顯示很可能有外星生命存在。葛利斯 667C 擁有 7 顆系外行星的行星系統，位在天蠍座一帶，在內的 3 顆超級地球約距地球 22 光年。這 3 顆超級地球包括在太陽系外 7 顆最可能存在生命的行星。在觀察這 3 顆超級地球與母恆星的距離，以及表面平均溫度，推論 3 顆行星皆可能有液態水存在，而不是被恆星輻射帶走，或是以固態冰存在。

#### 2014 年

2014 年 5 月，先前發現的克卜勒 - 10c，其質量約地球質量的 17 倍，類似於海王星。半徑約為地球的 2.35 倍，是目前已知最大的類地行星。由於克卜勒 - 10c 的質量超過**超級地球等級**的地球質量 10 倍上限，因此提出將其歸類為「巨無霸地球」（mega-Earth）。

#### 2015 年

2015 年 1 月 6 日，美國國家航空暨太空總署宣布由克卜勒太空望遠鏡發現第 1000 個被確認的系外行星。三個新確認的系外行星被發現在適居帶內；其中兩個行星克卜勒 438b 和克卜勒 442b 接近地球尺寸，其組成成分可能是岩石；第三個行星克卜勒 440b 則為超級地球。

2015 年 7 月 30 日，天文與天體物理學報宣布他們發現一個行星系統，當中有三顆超級地球繞著一顆明亮的矮星。位於仙后座的格利澤 892 發現其擁有四行星系統，但這些行星並不在適居帶內。當中最短軌道的行星是 HD 219134 b，是當時已知距地球最近的超級地球。

2015 年 12 月 17 日，澳洲天文學者宣布發現至今為止離地球最近的超級地球沃夫 1061c，距離地球只有 13.8 光年。

#### 2016 年

2016 年 2 月，美國國家航空暨太空總署公布哈伯太空望遠鏡在分析巨蟹座 55e 的大氣層中，檢測到氫和氦（可能是氰化氫）等元素，但是沒有檢測到水蒸氣。美國國家航空暨太空總署並宣布首次針對超級地球大氣層分析任務成功。

2016 年 8 月，天文學家宣布發現一顆系外類地行星比鄰星 b，其位紅矮星比鄰星的居住區，是目前已知距太陽系最近的系外行星，也是已知距離最近的適居帶內系外行星。由於比鄰星 b 非常靠近地球，該行星可能突破倡議中，像系外天體探測前進的小探測器其中之一目的地。

#### 2018

#### 2019

#### 2021

## 太陽系

## 特性

### 密度與組成成分

在科學計算上，如果可以同時利用徑向速度及凌日法偵測到某超級地球，那該星球的質量與半徑便可確定，並可延伸計算出出該星球的平均總體密度。低密度的星球可能是由氫和氦元素組成，類似於迷你海王星；中密度的星球主要元素組成可能包括水，類似於海洋行星，或是該星球內部有一顆密度大的核心，但外圍被一層廣大的氣體覆蓋著，類似於較小的氣體行星。另一項常用的推論條件是當某超級地球的星球半徑大於地球半徑 1.5 倍條件下，其密度隨星球半徑增加而增加；但若是其密度隨星球半徑增加而下降，則該行星可能是其內部為岩石核心，但其被一層氣體包覆著；這推論條件主要建立在觀察過 65 個小於地球半徑 4 倍的超級地球統整出來的資料。 高密度的超級地球推論是由岩石、金屬或岩石與金屬混和組成的，如地球和太陽系其它類地行星。而在超級地球內部可能是分層不明顯，部分明顯或內部分層完全明顯。研究人員在美國哈佛大學天文系開發用戶友好的在線工具來表徵超級地球的主體組成。由哈佛天文系的研究員開發一套簡單的模擬軟體來分析超級地球內部組成特性

鑑於超級地球相對較大的質量，它們與地球在物理特性上有著一定的差距。一份以黛安娜・瓦倫西亞（Diana Valencia）為主的團隊針對格利澤 876d 的研究報告顯示，使用經由檢測行星及其相應質量的凌日法所測得出來的半徑，有可能推測出超級地球的組成結構。計算繞行格利澤 876 的行星所得出的範圍，可以是在九千兩百公里（約為地球半徑的一點五倍）的固態行星到地核大到超過一萬兩千公里以上（約為地球半徑的兩倍）有著冰層覆蓋表面的液態行星。在這半徑的範圍之內，超級地球格利澤 876d 的表面引力為～3.3g 與～1.9g 之間。巨大的表面引力（通常大過海王星與土星這樣的行星，在某些情況下則大過木星）是超級地球一項眾所周知的特性。

### 地質活動

### 進化

### 溫度

由於大氣層的影響，對於測量超級地球上的反照率、溫室效應與表面溫度無法得知，通常只能得知該星球的行星平衡溫度。例如：地球的行星平衡溫度為 254.3 K（−19 °C 或 −2 °F），這是由於地球上的溫室氣體讓地表溫度能保持溫暖；但像金星的行星平衡溫度為 184.2 K（−89 °C 或−128 °F），然而金星表面實際溫度卻是 737 K（464°C 或 867°F），因其濃厚的大氣層讓熱量無法散發出去。在以上的例子可以得知，目前無法從行星平衡溫度來推算外星球的反照率、溫室效應與表面實際溫度。

### 磁場

地球的地磁場主要成因為地球內部的液態金屬外核，但在超級地球上，其質量高的狀況下在超級地球內部會產生高壓，伴隨著超級地球內部核心組成成分黏度更大，熔點也更高，導致內部核心地核與地函分界不明顯，成為無核心之星球。如果能在某個超級地球的岩石中找出氧化鎂之存在，可推估氧化鎂會以液態形式存在於超級地球內部，從而可推導出該星球地函處可產生磁場。

### 適居性

## 參見

* 地球相似體
* 地外液態水
* 熱海王星
* 超級海王星
* 最近類地太陽系外行星列表
* 次地球

## 參考文獻