正如我们知道人是怎么来的，却不知道“超人”是怎么来的一样，天文学家（大概）知道地球是怎么形成的，但却不知道比地球个头稍大的“超级地球”（super-Earth）是怎么形成的。通过对这些“超级地球”的研究，天文学家既希望解释它们自身的特别之处，又希望籍此去解开地球本身的一些未解之谜。
然而，随着研究的不断深入，不仅“超级地球”的身世之谜陷入了类似“拆了东墙补西墙”的尴尬境地，甚至我们所在的太阳系都有变成“特殊异类”的可能。本期《天问》专栏将以开普勒太空望远镜的视角为基础，带你一窥“超级地球”的形成之谜。
2009年发射并运行至今的开普勒（Kepler）太空望远镜至今已经发现了超过5000颗系外行星。通过对这些系统的统计研究极大地改观了我们对于行星和系外行星的认识。
Kepler所发现的这些系外行星里面，绝大多数都属于所谓的“超级地球”——行星大小介于地球和海王星之间，且轨道周期大都小于100天。如此大量的“超级地球”实在超出了天文学家的意料之外。他们提出了很多不同的理论去解释其形成的原因，但时至今日我们还是不知道这些“超级地球”是怎么来的，从哪里来。
Kepler观测到的这些“超级地球”不仅个头比地球大，质量也比地球要重。
这些行星由于质量小且离主星较远，它们所引起的恒星视向速度（运动速度沿视线方向的分量）的变化十分微弱，小于目前的探测极限（1m/s），因此精确测量绝大多数Kepler行星的质量超出了我们现有的技术水平。但是通过对大样本的统计研究表明，这些“超级地球”的平均质量可能在3-5倍地球质量左右。而包含“超级地球”的行星系统平均又有三个这样的行星。
因此，平均每个这样的行星系统有大约十倍地球质量的“矿物质”，且这些物质基本都集中在100天轨道以内。这是十分惊人的物质聚集。
以太阳系作为对比，水星离太阳最近，轨道周期为88天，但水星质量只有不到0.05倍的地球质量，而整个太阳系即使放大到地球轨道以内（365天，包括地球）也只有大约2倍的地球质量。这与Kepler发现的行星系统相差数倍。
像Kepler行星系统这样，如此大量的物质集中在很小的区域内，假设再把已经被驱离的气体按照正常的比例考虑进去，那么诞生这些“超级地球”的原行星盘（protoplanetary disk）将是不能承受之重：如此重的行星盘很可能不稳定而直接坍缩形成大个的气团，而非固态的行星。正是因为这个原因，天文学家大多认为“超级地球”不太可能是在其现在所在的位置形成的。
“超级地球”的另一个特征是其包含占体重相当大比例（约1%）的大气。作为对比，地球大气只占地球总质量的不到百万分之一，但却支撑起厚度达100公里的大气层（地球半径6400公里）。所以“超级地球”的体积里面有很大部分都是气态。与地球大气层组成不同，“超级地球”的超级大气层几乎都是由氢和氦组成的。这些都使得“超级地球”同太阳系的天王星或海王星有点相似。“超级地球”的这一特征似乎也为迁移理论提供了佐证。
“超级地球”不能在离主星很近的地方大量形成，而我们确实在离主星很近的地方发现了大量的“超级地球”。那么问题就来了：我们观测到的“超级地球”是怎么形成的呢？天文学家们为此提出了各种各样的理论模型。这些模型归根到底可以分为两类：一是在离主星较远的地方把“超级地球”“组装”好再“搬”过来，二是先把离主星较远的物质“搬”过来再“组装”成“超级地球”。
就解释已知的很多观测结果来看，两种理论各有千秋，难分高下。
然而，这两种思路本质上都是在“拆东墙补西墙”。换句话说，无论是选择把原来的“东墙”直接搬到“西墙”的位置，还是把用来建造“东墙”的砖瓦改用来建造“西墙”，这些理论的一个共同的潜在后果就是——“东墙”没有了，或者说变“矮”了。
对于行星系统而言，通过这种“乾坤大挪移”的方法解释“超级地球”成因的后果就是，离主星较远的地方应该不太可能再形成太多的行星或者较大的行星。换句话说，存在“超级地球”的系统应该不太可能再存在像太阳系木星一样的冷巨星（cold giants）。
这似乎可以解释为什么我们的太阳系不存在“超级地球”：质量巨大的木星和土星抢走了可能形成“超级地球”的矿物质；另外也正是因为木星的存在，使得原本可以向内迁移形成“超级地球”的天王星和海王星被阻隔在外部。那么数量众多的系外行星系统是否也是如此呢？
既然绝大多数的“超级地球”都是由Kepler找到的，那么一个最自然的想法就是去寻找这些拥有“超级地球”的系统是否还拥有其它较冷的行星。
然而遗憾的是，这一想法并不是十分可行。原因有二，首先Kepler望远镜因为观测时长以及掩食方法本身的限制，对于冷巨星的探测效率及其低下；此外，Kepler观测的恒星普遍较暗，这导致地面上几乎只有十米级Keck望远镜可以做精确的视向速度测量，并以此来寻找系统内的其它行星。因此，虽然Kepler寻找到了数千个“超级地球”，但是我们对于绝大多数“超级地球”轨道之外的世界几乎一无所知。
尽管“超级地球”的身世之谜困扰了学界许久，但这一问题很可能在不久的将来得到解决。2018年4月18日发射升空的TESS望远镜（Transiting Exoplanet Survey Satellite，掩食系外行星巡天望远镜）将致力于发现所有亮星附近的掩食行星（transiting planet，即会像“金星凌日”一样从其主星表面经过的行星）。
同Kepler一样，TESS找到的大多数的掩食行星也将是“超级地球”。但同Kepler不一样的是，TESS观测的主星因距离我们比较近所以普遍比较亮，所以天文学家可以动用数量众多的小望远镜而非十米口径的Keck来精确测量“超级地球”的质量，并寻找同系统内部的其它行星。TESS将能够提供上千个主星足够亮的“超级地球”系统来更精确地研究“超级地球”的质量和密度分布，以及“超级地球”与冷巨星之间的相关性。
这些结果都将有助于理解“超级地球”的形成之谜。
从地球到“超级地球”，就像天文学研究的其它问题一样，揭秘“超级地球”的起源和形成机制除了直接满足天文学家的好奇心之外，还可以加深人类对于赖以生存的地球以及生命的认识。目前天文学家认为我们太阳系的几大岩石行星（水星、金星、地球、火星）都是在它们目前所处位置附近形成的。
因为位于太阳系“雪线”（snow line，在小行星带附近）以内，这些地方形成的行星很难获取大量的水分。而对于出现在地球上的孕育生命的水源，目前主流观点认为是由于各种机缘巧合由彗星和其它含水量高的小行星从“雪线”以外的地方带来的。如果“超级地球”是在它们目前的位置形成的，那么这些行星极有可能同太阳系大多数岩石行星一样干燥，也就是不存在足够的孕育类地生命的水分。
反之，如果是在离主星较远的地方形成然后迁移过来，“超级地球”将很可能天生“水灵灵”，从而具备孕育类地生命的一个必要条件。因此，对包括“超级地球”在内的系外行星的研究将对下一步探索系外生命提供重要的指导意义。