失踪的行星：太阳系失落超级地球之谜

科学摘要

本文探讨了太阳系中缺乏超级地球的谜团，而这类行星在其他恒星周围却很常见。物质线索，如在陨石（橄辉陨石、Almahata Sitta）中发现的高压金刚石（形成于>20 GPa），表明这些大型岩质行星（2-5倍地球质量）在过去可能存在。根据“大迁徙”模型，木星的早期迁移可能起到了引力屏障的作用，将这些超级地球弹出或摧毁。它们的缺席可能促成了太阳系非凡的轨道稳定性，从而允许了地球上生命的演化。

为什么我们的太阳系中没有超级地球？

最可能的原因是，我们的太阳系曾经拥有它们，但它们消失了。矿物学证据，如在特定陨石中发现的、在极端压力下形成的金刚石，表明它们曾经存在。它们的消失可能归因于木星的早期迁移（“大迁徙”模型）。这颗气态巨行星可能创造了一个引力屏障，将超级地球弹出太阳系，或使其坠入太阳。这种缺席可能是有益的，为地球上的生命出现提供了独特的轨道稳定性。

失踪超级地球之谜

如果我们的太阳系曾经拥有现已消失的巨型世界会怎样？陨石中发现的地外钻石揭示了超级地球的过往存在——这些巨大的岩石行星可能曾环绕年轻的太阳运行，随后被抛入星际空间。

年轻太阳系中被遗忘的世界

超级地球是银河系中观测到的最常见系外行星之一。然而，我们的太阳系却缺少这类行星。尽管自然规律倾向于形成它们，但这种明显的缺失表明，超级地球曾经存在过，后来消失了。最令人信服的实物证据来自某些含有高压钻石的陨石，这些钻石形成于现已消失的巨大行星内部。

钻石是在极端压力下形成的

对ureilite陨石的分析显示，其中含有尺寸达数十微米的钻石晶体，并带有在超过20 GPa压力下形成的金属包裹体（Fe、Ni、Cr）。这种压力条件只有在质量数倍于地球的岩石行星中才能实现，远超普通小行星的能力范围。

考虑到地球的平均密度，15至20吉帕的压力对应约2至5个地球质量的天体，即一颗超级地球。这些钻石因此证明了存在一个内部条件与天王星或海王星相似的行星地幔。

注：含钻石的橄榄陨铁可能是早期太阳系中失落超级地球的唯一矿物学证据。其内部结构证明了简单小行星无法达到的压力条件，支持了在现今轨道稳定前已消失的行星种群这一观点。

抛射模型与木星屏障

肖恩·雷蒙德（Sean Raymond）与亚历山德罗·莫比代利（Alessandro Morbidelli）的模拟显示，木星充当了引力屏障，阻止了太阳系中超级地球向内迁移。这种相互作用导致它们被弹出或摧毁。该现象在“大航向”模型的背景下被描述，其中木星先迁移至1.5天文单位，随后向外移动，从而破坏了行星胚胎的稳定性。

大迁移模型

大航向模型是由亚历山德罗·莫比代利和肖恩·雷蒙德提出的动态假说，描述了木星和土星在原始星云中的早期迁移过程。根据该模型，木星首先向太阳迁移至约1.5天文单位，随后因土星的共振效应而"转向"。这一运动扰乱了内行星胚胎，驱逐了潜在的超级地球，并限制了火星的最终质量。术语"航向"源自帆船调向的操纵动作，形象地展现了这两颗巨行星的引力方向变化。

一颗超级地球如果达到超过42公里/秒的抛射速度，就可能成为星际行星，永久离开太阳系。

阿尔马哈塔·西塔陨石：失落世界的见证者

2008年坠落在苏丹的阿尔马哈塔·西塔陨石含有高纯度钻石，经光谱分析确认。其内部所含金属包裹体需在20至25吉帕压力下形成。据法拉罕·纳比耶（瑞士联邦理工学院洛桑分校，2018年）研究，这些钻石源自一颗水星大小或数倍地球质量的超级地球母体。

如何从钻石中解读历史？

科学家使用多种技术来测定这些地外钻石的年代并对其进行表征。

一个极其稳定的太阳系

超级地球的缺失可能促进了太阳系的引力稳定性。没有这些中等质量的天体，现有行星占据着近乎圆形的轨道，避免了破坏性的共振。这种长期的稳定性使得地球上的生命得以缓慢而持续地演化，这在系外行星统计中是一个极为罕见的场景。

观测到的恒星系统类型分布

来源：Raghavan 等人 (2010)，《天体物理学报增刊》，190，1；Tokovinin (2018)，《天体物理学报增刊》，235，6；盖亚任务，欧空局 (2023)。

注：常被引用的“80%的恒星是双星”这一说法，对于观测到的**大质量**恒星群体（O–B型）是正确的，但如果将其推广到银河系中的所有恒星，则具有误导性。银河系在数量上以红矮星（M型）为主，其多重率较低，因此在银河系尺度上，多重系统的加权平均比例约为40–45%。

常见问题解答：关于消失的超级地球

银河系中恒星系统类型的分布
系统类型	观察到的比例	引力结构	物理评论
单星系统	约45%	一颗单一的中心恒星	低质量恒星（如太阳）稳定且常见。
二进制系统	约40%	两颗恒星围绕它们的质心相互绕行	可引发行星轨道扰动，但亦有利于物质交换。
第三系（三重）	≈ 10%	两颗紧密相伴的恒星，另有一颗较远的恒星为伴。	条件稳定性：需要严格的轨道层级以避免引力抛射。
多系统（≥ 4 星）	≈ 5%	围绕多个次级质心的嵌套轨道	长期极不稳定；通常由分子云的初始碎裂形成。

按光谱类型划分的恒星多重率
光谱类型	平均质量（M☉）	多系统速率（约）	物理蕴涵
O–B（大质量）	≈ 8–40	约80–100%	形成于不稳定核心中，强烈的云团碎裂，形成双星和紧密多星系统的概率极高。
A–F	约1.5–2.5	约60–75%	中度碎片化；多系统频繁但更趋层级化。
G（太阳型）	≈ 1.0	≈ 45%	混合：双星系统占相当比例，但仍有大量单星。
K	≈ 0.6–0.9	约30–40%	伴星较少；原行星盘通常更稳定。
M（红矮星）	≈ 0.1–0.5	约20–30%	银河系中的主导群体；低多重性导致大多数恒星为孤立恒星。
所有类型（加权平均）	—	约40–45%	按初始质量函数（IMF）加权的平均值：红矮星占比过高拉低了整体平均值。