文／張桂蘭（台北市立天文館）

到目前為止，已確認的系外行星數量超過4000顆。有些行星同時環繞多顆恆星公轉；有些行星非常靠近母恆星，公轉一週僅需數天，不像地球公轉長達365.25天；有些行星軌道極為扁圓，不像地球軌道很接近圓形。所以行星的特性和所在位置並不單一，而是有許多可能性。然而談到行星大小，尤其是質量和半徑，其實是有其物理上的限制。美國西南研究所試圖從行星和它們母恆星之間的化學關連性，以及不同大小的行星可能有的內部結構和含有的礦物等，來探討是什麼讓行星能支持生命存在。

太陽系行星分成兩大類：體積質量小、岩質且密度大的類地行星，體積質量大且為氣體的類木行星。迄今已偵測到的行星大都落在這兩類裡。但事實上，以行星大小排序時，在所謂的「超級地球（super-Earth）」處有個沒填滿的間隙。超級地球指半徑約地球1.5～2倍，質量約地球5～10倍的系外行星。為什麼超級地球數量少了？為什麼天文學家只看得到小型岩質行星和巨大的氣體行星？

岩質行星VS氣體行星

兩類行星之間的差異，以及超級地球間隙的出現，都與行星大氣有關，特別是行星正在形成的時候。當恆星誕生，匯聚成巨大氣體球，開始旋轉、向內塌縮，最後在核心點燃核融合反應而成為一顆正式的恆星。這個過程並不完美，在恆星形成之後，還殘留著大量多餘的氣體、塵埃和岩石。這些殘餘物質繼續繞恆星旋轉，直到在恆星周圍形成一個扁平、環狀的拱星盤。盤內塵粒彼此碰撞黏合形成小石塊，小石塊也可能彼此碰撞成長為更大的礫石，過程持續直到成長為行星。當行星的體積增長時，其質量和重力也隨之增加，讓它不僅能從累積塵埃和岩石來成長，還能積聚氣體，最後形成大氣層。

拱星盤中有大量氣體，和恆星以及宇宙誕生之際一樣主要組成都是氫和氦，但是岩石物質就明顯少多了，原因在於恆星形成之際就沒有多少這樣的岩石物質。

沒有超級地球的原因

如果行星維持體積偏小的狀態，即半徑小於1.5倍地球半徑時，其重力不足以掌控像木星或海王星大那樣的龐大大氣層；但是如果它再繼續長大一點，能捕獲的氣體就會愈來愈多而形成大氣層，且半徑可能增加至海王星（約4倍地球半徑），甚至超過木星（約11倍地球半徑）。因此，行星可以是小型岩質行星，也可是大型氣體行星。

按理來說也能形成介在中間的超級地球，但其實會很困難，因為一旦質量大到足以開始重力累積時，就如同雪崩一般停不下來，只有在某種特別環境中才能停止氣體持續往行星累積的動作而成為超級地球。這種狀況有時被稱為「不穩定平衡」，只要天體位置稍微移動，或只要多累積一點點氣體，就會打破平衡狀態，持續往氣體巨行星的狀態發展。這種狀況造成超級地球的數量不會太多，成為前述的超級地球稀少的現象。