超級類地行星

在一般情況下，超級地球只以質量作為判定條件，而温度、成分、軌道參數、適居性或星球環境等條件則不包括在內。超級地球質量上限普遍認為地球質量的10倍（約天王星質量的69%），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；或是不但具有大氣層，還有固態表面；或是像海洋行星一樣有着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於太陽系內。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或是氣態巨行星 。 ^[2] 

理論上，類地行星可根據岩石種類分為兩類，一類以硅化合物為主，另一類以碳化合物為主，像是含碳球粒隕石的小行星。這兩類分別稱為硅酸鹽行星和碳行星。自1995年發現第一顆超級地球后，天文學家又陸續探測到上千顆超級地球。由於多數超級地球距離太遠，天文學家無法直接通過普通天文望遠鏡用肉眼觀察，而只能依靠光譜分析等探測方式間接測算出超級地球的存在。

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着，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着；這推論條件主要建立在觀察過65個小於地球半徑4倍的超級地球統計數據。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。哈佛大學天文系研究人員開發了一款在線工具來分析超級地球的組成。 ^[2] 

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着一定的差距。一份以戴安娜·巴倫西亞（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9200千米（約為地球半徑的1.5倍）的固態行星到地核大到超過12000千米以上（約為地球半徑的2倍）有着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。強大的表面引力是超級地球的主要特徵，通常大於海王星與土星這樣的行星，在某些情況下則大過木星。 ^[2] 

由於大氣層的影響，無法測量超級地球上的反照率、温室效應與表面温度，通常只能得知該行星的平衡温度。例如：地球的平衡温度為254.3 K（-19°C），這是由於地球上的温室氣體讓地表温度能保持温暖；但像金星的平衡温度為184.2 K（-89°C ），然而金星表面實際温度卻是737 K（464°C），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，無法從行星平衡温度來推算外星球的反照率、温室效應與表面實際温度。

地球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，伴隨着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幔分界不明顯，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的存在，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幔處可產生磁場。 ^[3] 

歐洲空間局的赫歇爾太空望遠鏡發現另一個恆星系統中外圍龐大小天體（彗星等）集羣並不是罕見的，在2013年早些時候，該望遠鏡也對著名的北落師門恆星系統進行觀測。使用紅外波段的觀測技術可透過外圍厚厚的塵埃盤，天文學家可以估計該恆星系統中有多少顆彗星在進入內側軌道後被摧毀。科學家也假設了恆星系統中運行在軌道上的行星與彗星發生碰撞的事件，通過這些模型得出北落師門外圍巖屑盤存在2600億至83萬億顆彗星，而太陽系外圍的奧爾特雲中的彗星數量被認為與此相類似。這項觀測也對行星上演化出海洋進行推測，擴展了類地行星的可居住性和潛在的可居住系外行星。

在缺乏大質量氣態行星（諸如土星和木星）的恆星系統中，位於內側軌道的行星可避免大質量彗星的轟擊，相反的是，較小的類海王星天體可使內側軌道行星保持穩定的小型流星雨襲擊。正因為如此，格利澤581與室女座61恆星系統正在受到外層盤狀物質羣中大量小彗星長期的撞擊。考慮到格利澤581恆星系統已經有近20億年的演化史，那麼內側軌道行星可能藴藏着相當大的水資源。 ^[4] 

類地行星是以硅酸鹽石作為主要成分的行星。它們跟類木行星有很大的分別，因為那些氣體行星主要是有氫、氦、和水等組成，而不一定有固體的表面。類地行星的結構大致相同：一個主要是鐵的金屬中心，外層則被硅酸鹽地幔所包圍。它們的表面一般都有峽谷、隕石坑、山和火山。

板塊構造(巨大的板塊運動組成地球的固體外殼)是造成地震、火山和其他地質學事件的主要原因。事實上，它們已經支配了地球的地質學歷史。地球是已知的僅有的一顆擁有板塊構造的行星，相關人員提出，這種運動是生命進化的一個必要條件。哈佛大學的行星科學家黛安娜·巴倫西亞和她的同事們在《天體物理學》雜誌上發表的一篇論文中預言，超級類地行星(它們的體積是地球的1到10倍)擁有板塊構造將會滿足它們維持生命的一個需要。巴倫西亞認為一些超級類地行星可能位於它們的太陽系中的‘可居住帶’內，這意味着它們與母星之間的距離正適合液態水存在，因此也適合生命存在。最終，只有這些行星的熱和化學演變將決定是否它們可以居住。但是這些熱和化學性質與板塊構造的關係非常密切。

通過詳細的模型，科學家發現了超級地球的行星內部結構，巴倫西亞和她的科研組測定了與板塊的厚度有關的超級類地行星的質量，和板塊承受的應力值。這些壓力(非常緩慢的地球地幔對流的一部分)是導致板塊變形和俯衝(一個板塊沉到另一個板塊的下方)的主要驅動力。對那些比地球大得多的行星來説，這種驅動力將比地球的更大。這個科研組發現，當行星質量增加時，它的切應力會隨之增加，而板塊厚度會變薄。這些因素削弱了板塊，導致板塊俯衝發生。板塊俯衝是板塊構造的基本組成部分。他們的研究結果顯示，對更大的類地行星來説，上述因素更加必不可少。

太陽系沒有已知的超級地球，因為地球是太陽系中最大的類地行星。更大的行星，比如天王星，質量至少是地球的14倍，並且較厚的大氣層，沒有明確的岩石或液體表面。木星、土星、天王星、海王星被統稱為氣態巨行星，天王星、海王星又稱為冰巨星。 2016年1月，有人提出在太陽系中假設存在的第九行星（行星九，Planet X）可能是一個超級地球，以解釋6個外海王星天體的軌道行為，但據推測也有可能是冰天王星或海王星之類的冰巨星。 ^[25]  根據2019年的精確模型推測，其質量限制在5個地球質量之內，因此行星九很可能是超級地球

已經被發現的超級地球還只是冰山一角，而隨着現代觀測手段的進步和新一代技術革新，發現超級地球的速度會越來越快。越來越多的專門用於發現系外行星的太空望遠鏡被送入太空，比如CoBoT、開普勒太空望遠鏡、凌日系外行星巡天衞星（TESS），它們將不斷尋找適合居住的類地行星。將來，人類將可能找到圍繞着類 似太陽這樣的恆星公轉、並且真正適合人類居住的系外行星，科幻小説中經常出現的星際移民將可能成為現實。

1992年，亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）與戴爾·費雷歐（Dale Frail）在發現脈衝星PSR B1257+12旁存在系外行星，其中外圍的兩顆行星質量皆為地球的4倍左右。這些行星也是最早被發現的系外行星。

2005年，尤金尼亞·里維拉（Eugenio Rivera）領導的一支團隊發現了首顆圍繞主序星的超級地球，因其圍繞格利澤876（Gliese 876）公轉，而被命名為格利澤876d（Gliese 876 d）。而在其之前，已有兩顆體積近似木星的類木行星在其星系中被發現。格利澤876d的質量估計是地球7.5倍，軌道週期相當短，只有兩天左右。鑑於格利澤876d的與日距離，它表面温度可達430-650開爾文，無法支持液態水的存在。 ^[5]  作為超級類地行星，格利澤876d可能存在活躍的火山活動，可以照亮夜面，可以在太空中被看到。

2006年1月25日，拉西拉天文台的天文學家用微引力透鏡法在銀河系核心深處發現一顆和地球非常相似的行星OGLE-2005-BLG-390L b。這顆行星半徑為地球的1.69倍，質量是地球的5.5倍，距離太陽系21500±3300光年，也是最遠的系外行星之一。 ^[6]  同年5月18日，Christophe Lovis發現了一顆質量10倍於地球的系外行星HD 69830 b。它圍繞着一顆類太陽恆星運行，軌道半長軸僅有0.0785天文單位，公轉週期只需要8.6667天。後期的研究認為，如果它是氣態巨行星，可能不會以這種形式留在距離恆星這麼近的地方。那麼，HD 69830 b很有可能是一顆超級類地行星，模型預測它的潮汐熱會使表面的熱通量高達大約55 W/m²，這是火山遍佈的木衞一的20倍。 ^[7] 

2007年4月，由斯特凡·烏德里（Stéphane Udry）所領導的一支瑞士團隊，宣佈在格利澤581（Gliese 581）發現首顆位於宜居帶的超級地球。格利澤581c（Gliese 581 c）的表面有可能存有液態水，質量為地球的5倍，與母恆星格利澤581距離為0.073天文單位（1100萬千米），位於宜居帶內邊緣。其平均温度（不考慮來自大氣的影響），按金星反照率計算為-3℃，按地球反照率計算為40℃。後續研究認為，格利澤581c可能有與金星一樣的失控温室效應。 ^[8] 

2008年6月2日，天體物理學家戴維·本內特（David P. Bennett）使用微引力透鏡法發現了MOA-2007-BLG-192Lb，合作宣佈了該行星。 ^[9]  這顆行星大約有3.3個地球質量，圍繞着一個褐矮星運行。 這是當時發現的最小的系外行星。MOA（Microlensing Observations in Astrophysics）是一個由新西蘭和日本研究人員的合作項目，在南半球使用微引力透鏡來觀察暗物質、太陽系外行星、恆星大氣層。

2008年6月，歐洲研究人員宣佈在恆星HD 40307周圍發現了三個超級地球，該恆星的質量僅比太陽小。 三顆行星質量下限分別為地球質量的4.2、6.7和9.4倍。歐洲南方天文台科學家團隊使用位於智利拉西拉天文台的高精度徑向速度行星搜索器（HARPS，High Accuracy Radial velocity Planet Searcher）通過徑向速度法檢測到這些行星。 ^[10]  此外，同一團隊還宣佈發現了另外一顆超級地球HD 181433 b，繞着HD 181433軌道運行，其質量是地球質量的7.5倍。這顆恆星還另外擁有兩顆類木行星。

2009年2月3日，法國領導的CoRoT望遠鏡（Convection, Rotation and planetary Transits）團隊宣佈發現了柯洛7b（COROT-7 b）行星，其質量估計為4.8地球質量，軌道週期僅為0.853天。對COROT-7 b的密度估算表明，該岩石成分包括岩石硅酸鹽礦物，類似太陽系內的4顆類地行星，這是一個新的重要發現。緊隨HD 7924 b之後被發現的COROT-7 b，是首顆圍繞G型或更大主序列恆星運行的超級地球，之前發現的超級地球都圍繞紅矮星運行。由於軌道半長徑只有0.017天文單位，該行星的表面温度極高，達到了1000-1500°C。在如此高的温度下，其上可能佈滿了熔岩和水蒸氣。 ^[1] 

2010年9月29日，美國國家科學基金會的天文學家們9月29日宣佈發現一顆迄今為止與地球最類似的星球，它的部分區域環境與温度適合人類居住。這顆名叫Gliese 581 g的行星位於天枰座星羣，環繞比太陽小許多的紅色恆星Gliese 581運行。該恆星距離地球20光年，天文學家已經找到6顆繞Gliese 581運行的行星。另外5顆（Gliese 581 b到Gliese 581 f）都不位於適居帶內，然而Gliese 581 g正好在可居住區內，它的温度不會太熱或太冷，可以維持液態水的存在。Gliese 581 g很可能是一顆岩石星球，表面或許有水和大氣層，它的直徑大約是地球的1.2到1.4倍，質量大概是地球的3.1到4.3倍，引力與地球相近，其表面平均温度在零下31度到零下12度之間。它所圍繞運行的這顆紅矮星的温度只有太陽的1/50，體積是太陽的1/3。Gliese 581g繞恆星運行一圈只要37天，而且它的一面是永遠對着“陽光”，另外一面則永遠處於黑暗之中。所以它朝陽的這面可能很熱，温度可達100多度，背光的一面的温度則可在零下幾十度。

2011年5月初由麻省理工學院、哥倫比亞大學、哈佛大學、加州大學聖克魯斯分校組成的國際天文學家小組正式公佈了55 Cancri e的發現，環繞着編號為55 Cancri A的恆星，公轉一週僅需18個小時。也就是説，在該行星上看到的太陽比地球上看到的大60倍，亮度大3600倍。行星表面温度2700攝氏度，麻省理工的天文學家認為如此高的温度不可能存在大氣結構，但也有一些科學家相信足夠強的引力能留住部分大氣。由於主恆星有着較高的亮度，所以能進行許多較為敏感的測量。通過該行星可以對行星形成、演化以及整個生命週期進行充分研究。

由55 Cancri A恆星構成的行星系統，第一顆行星於1997年由加州的一個研究小組發現，命名為55 Cancri b。在其後的五年內，該小組又發現了另外兩顆行星，也就是55 Cancri c和55 Cancri d，到了2004年，德州的研究小組發現了55 Cancri e，發現的一顆在2008年，也是該行星系統第五顆行星55 Cancri f。這五顆行星的發現過程都是基於多普勒技術，恆星由於附近行星的引力作用，會產生搖擺現象，進而通過測量星光波長的變化確定行星的參數。哈佛的天文學博士研究生Rebekah和加州聖克魯斯分校的系外天體專家Daniel，重新分析了2004年的數據，認為55 Cancri e的軌道週期要比原先認為的要小，之後麻省理工學院的Winn和史密森天體物理中心的Matt Holman天文學家申請動用MOST空間望遠鏡進行觀測，發現凌日現象發生週期只有17小時41分，符合前者的分析，而恆星光線在每次凌日時只變暗1/5000，這些數據還得出了結論：這顆行星的直徑大約在21萬公里，比地球大60%左右。

2012年2月20日，天文學家發現一顆新的行星GJ 1214 b。這顆系外行星屬於超級地球，其大氣層可能含有充沛的水蒸氣或被厚厚的霧所籠罩。因此天文學家認為，那裏可能有不同的物質存在。美國天文學家用哈勃太空望遠鏡觀察了這顆類地行星，它距地球僅40光年，環繞着一顆昏暗的紅矮星運行。GJ 1214b的直徑約為地球的2.7倍，其質量是地球的7倍。該星球温度很高，可能達到230攝氏度，因此那裏可能有不同的物質存在。這是第一顆發現擁有大氣層的超級地球，其他都是氣體巨星。另據估計，這顆行星75%的表面區域是被水蒸氣覆蓋的，所以待在上面極有可能感覺像在蒸桑拿。但這已是人類作出此類觀察後發現的温度最低的行星。哈佛-史密松森天體物理中心的主要研究人員伯爾塔説：“GJ 1214b不同於我們已知的所有星球。” ^[11] 

2012年11月，天文學家四發現可能適宜生命居住星球的HD 40307 b，體積相當於地球的7倍。恆星HD 40307位於繪架座，距地球約42光年，有三顆行星環繞，但是通過高度靈敏的數據濾波方法計算，該恆星系統還存在另外三顆行星。最遠端的一顆行星處於“最佳位置”，與恆星的距離恰巧可使液態水存在。 ^[12] 

2013年4月，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的威廉·博拉奇（William Borucki）領導的開普勒任務團隊，發現有5顆行星在一顆類似太陽的恆星開普勒62（Kepler-62）的宜居帶中運行，距離地球1200光年。這些新的超級地球的半徑分別是地球的1.3倍，1.4倍，1.6倍和1.9倍。這兩個超級地球的理論模型開普勒62e（Kepler-62 e）和開普勒62f（Kepler-62 f）都可能都有固體表面，或者由岩石或者由岩石與水冰共同組成。 ^[13] 

2013年6月25日，歐洲南方天文台宣佈發現了3顆超級地球繞着恆星Gliese 667 C運行，另外兩顆行星均不適宜已知生命，理論上Gliese 667 C c可能存在生命。Gliese 667三恆星系統位於天蠍座，離地球約22光年遠。紅矮星Gliese 667 C本身是這個三恆星系統最外圍的成員，而它又擁有三顆行星。Gliese 667 C c在恆星Gliese 667 C的適居帶中運行，與距恆星的距離使温度恰好適合水以液態形式存在，而不是被恆星輻射剝離或永久地冰凍在冰中。 ^[14] 

2014年5月，早前發現的開普勒10c（Kepler-10 c）被確定具有與海王星相當的質量（17個地球質量），根據半徑2.35R⊕計算的密度表明，它是當時已知最大的可能主要具由岩石構成的行星。開普勒10c遠高於“超級地球”一詞通常使用的10個地球質量上限。因此，有人提出了巨無霸地球（mega-Earth）一詞。然而，在2017年7月，對HARPS-N和HIRES數據進行的更仔細的分析表明，開普勒10c的質量比原先想象的要小得多，而是大約7.37（6.18至8.69）地球質量，平均密度為3.14 g/cm3。 更準確地確定的開普勒10c質量表明，岩石成分不佔主導地位，該行星可能幾乎完全由揮發物組成，其中主要成分是水。 ^[15] 

2015年1月6日，美國國家航空航天局宣佈了開普勒太空望遠鏡發現的第1000顆系外行星。 發現新近確認的系外行星中的三個在其相關恆星的宜居區域內運行：其中兩個是開普勒-438b（Kepler-438 b）和開普勒-442b（Kepler-442 b）接近地球大小。 第三個是開普勒440b（Kepler-440 b），是超級地球。2015年7月23日，美國國家航空航天局宣佈發現開普勒452b（Kepler 452 b），這顆行星直徑是地球的1.6倍，地球相似指數(ESI)為0.83 ，位於距離地球1400光年的天鵝座。這是截至2015年，發現的首個圍繞着與太陽同類型恆星旋轉且與地球大小相近的宜居行星，有可能擁有大氣層和流動水，被稱為”地球2.0“或“地球的表哥”。 ^[16] 

2015年7月30日，《天文學與天體物理學》雜誌發表一個六行星系統HD 219134的文章，其中三個超地球圍繞一顆明亮的矮星運行。 HD 219134是在仙后座種距離地球21光年的一顆恆星。 軌道最短的行星是HD 219134 b，但它不在其恆星的宜居區域。 ^[17] 

2016年8月，天文學家宣佈探測到比鄰星b（Proxima b），這是一顆地球大小的系外行星，位於離太陽最近的比鄰星（Proxima Centauri）的宜居帶中。不過比鄰星是一顆紅矮星，會不定期的產生強大的耀斑，強烈的紫外線輻射對發展生命非常不利。 ^[18]  比鄰星b是距離地球最近的系外行星，也是距離地球最近的超級地球。突破攝星（Breakthrough Starshot）項目正在研發的星際微型太陽帆船隊，準備經過數十年的旅行對比鄰星開展飛掠觀測。

2017年2月16日，一個國際天文學家團隊發現了60顆圍繞臨近太陽系的恆星系統運轉的新行星，其中包括一顆表面多為岩石的超級地球Gliese 411 b（Lalande 21185 b），Gliese 411是距離太陽僅8.31光年，是第四近的恆星系統。Gliese 411 b質量至少為地球的2.69倍，公轉週期12.946天，但是這顆行星太熱，生命無法在其表面生存。 ^[19] 

2017年2月，天文學家在TRAPPIST-1周圍發現7顆類地行星，行星總數僅次於太陽和開普勒90（Kepler-90），是已知擁有最多類地行星的恆星系統，超過了太陽系的4顆。TRAPPIST-1是一顆表面温度極低的超冷紅矮星，距離地球約39.13光年（12.0秒差距），天球上位於寶瓶座。TRAPPIST是智利拉西拉天文台的凌星行星及原行星小望遠鏡（TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope）項目。 ^[20] 

K2項目是開普勒太空望遠鏡在2013年4個反應輪中的2個失靈後開展的第二階段任務。2018年2月，K2項目發現了超級地球K2-141b，這是一個超短週期行星（ultra-short period planet，USP），繞主恆星K2-141（EPIC 246393474）公轉週期僅為0.28天（6.72小時）。 ^[21]  2018年3月，K2項目還發現了另一個半徑為地球1.64倍的超級地球，K2-155d。 ^[22]  2018年6月，天文學家宣佈發現波江座40b（40 Eridani b），距離太陽系僅16光年。2018年11月，研究人員發現距離地球6光年遠的一顆超級地球巴納德星b（Barnard b或GJ 699 b），圍繞巴納德星（是距離地球第二近的恆星）運行。巴納德星b被認為極度寒冷，温度與木衞二相似，約為攝氏零下150度。 ^[23] 

2019年7月，凌日系外行星巡天衞星（TESS，Transiting Exoplanet Survey Satellite）團隊宣佈發現距離地球31光年超級地球GJ 357 d，其質量至少為地球的6.1倍，位於長蛇座。 ^[24] 

2022年9月，一個國際科研團隊發現了兩顆距離地球僅100光年的新行星，其中一顆可能適合生命生存。據美國哥倫比亞廣播公司報道，這兩顆行星都被稱為“超級地球”，分別是LP 890-9b和LP 890-9c。LP 890-9b比地球大約30%，半徑超過5200英里（約8369公里），僅需2.7天就能繞其恆星一週；LP 890-9c（後來被研究人員重新命名為SPECULOOS-2c）比地球大約40%，半徑超過5400英里（約8690公里），軌道週期約需要8.5天。 ^[26] 

2024年2月消息，美國國家航空航天局（NASA）宣佈找到一顆新“超級地球”，行星編號TOI-715b。該行星的寬度約為地球的一倍半，繞着一顆紅矮星公轉，軌道處在不遠不近的“宜居區”內。由於母星很小，這顆“超級地球”繞行一週的時間僅有19個地球日。此外，值得一提的是，儘管該行星與地球的距離為137光年，約是地球距離太陽的8700萬倍，但在天文學領域已經算相當近了。 ^[27]