天文学家发现两颗系外行星与太阳系中的任何行星都不同

对一个被称为开普勒-138的行星系统的详细研究结果将于今天（12月15日）发表在《自然-天文学》杂志上。该小组由蒙特利尔大学特罗蒂尔系外行星研究所（iREx）的博士生Caroline Piaulet领导。

作为Björn Benneke研究小组的一员，Piaulet用美国宇航局的哈勃和退役的斯皮策太空望远镜观察了系外行星Kepler-138c和Kepler-138d。她发现这些行星--其大小约为地球的1.5倍--可能主要由水组成。这些行星和离这颗恒星更近的行星伴侣，开普勒-138b，此前已经被美国宇航局的开普勒太空望远镜发现。

水并没有被直接探测到。然而，通过将这些行星的大小和质量与模型进行比较，他们得出结论，其体积的很大一部分应该是由比岩石轻但比氢或氦重的材料构成的（这些材料构成了像木星这样的气体巨行星的主体），水是符合这些规格的最常见的候选材料。

"我们以前认为，比地球大一点的行星是由金属和岩石组成的大球，就像地球的放大版，这就是为什么我们称它们为超级地球，"Benneke解释说。"然而，现在已经有证据表明，开普勒-138c和d在性质上有很大的不同：它们整个体积中的很大一部分可能是由水组成。这是我们第一次观察到可以自信地确定为水世界的行星，这种类型的行星被天文学家理论上存在了很长时间。"

c和d行星的体积是地球的三倍多，质量是地球的两倍，其密度比地球低得多。这令人惊讶，因为迄今为止被详细研究过的大多数仅比地球稍大的行星似乎都是像我们一样的岩石世界。研究人员说，与这两颗行星最接近的比较是外太阳系中的一些冰冷的卫星，它们也主要由围绕着岩石核心的水组成。

"想象一下木卫二或土卫二的大版本，它们是围绕木星和土星运行的富含水的卫星，但更接近它们的恒星。开普勒-138 c和d不是一个冰冷的表面，而是有一个大的水蒸气包层。"

根据研究人员的说法，这些行星可能不像我们在地球上那样直接在行星的表面有海洋。"开普勒-138c和开普勒-138d大气层中的温度可能高于水的沸点，我们预计在这些行星上会有一个由蒸汽构成的厚实、密集的大气层。"Piaulet说："只有在这种蒸汽大气之下，才有可能有高压下的液态水，甚至是在高压下出现的另一种相的水，称为超临界流体。"

最近，蒙特利尔大学的另一个团队发现了另一颗名为TOI-1452 b的行星，它有可能被液态水海洋所覆盖，但是需要美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜来研究其大气层并确认海洋的存在。

该系统中的一颗新系外行星

2014年，天文学家宣布利用美国宇航局开普勒太空望远镜的数据探测到三颗围绕开普勒-138的行星，这是一颗位于天琴座的红矮星。发现它是以行星过境为基础的--当行星在其恒星前面瞬间经过时，星光的可测量的凹陷。

Benneke和他的同事，来自新墨西哥大学的Diana Dragomir，提出了在2014年和2016年之间用哈勃和斯皮策太空望远镜重新观察该行星系统的想法，以捕捉开普勒-138d，该系统中的第三颗行星的更多过境，以研究其大气。

尽管美国宇航局开普勒太空望远镜早期的观测只显示了围绕开普勒-138的三颗小行星的凌日，Piaulet和她的团队惊讶地发现，哈勃和斯皮策的观测表明该系统中存在第四颗行星，开普勒-138e。

这颗新发现的行星很小，而且离它的恒星比其他三颗更远，需要38天才能完成一个轨道周期。这颗行星位于其恒星的宜居带，这是一个温带区域，行星从其凉爽的恒星上获得恰到好处的热量，既不会太热也不会太冷，从而允许液态水的存在。

然而，这颗额外的、新发现的行星的性质仍然是一个悬而未决的问题，因为它似乎没有经过它的主星，观测这颗系外行星的过境将使天文学家能够确定其大小。

现在有了开普勒-138e，以前已知的行星的质量又通过凌日时间变化法进行了测量，该方法包括跟踪行星在其恒星前凌日的精确时刻因附近其他行星的引力而发生的微小变化。

研究人员还有一个惊喜：他们发现开普勒-138c和d这两个水世界是"双胞胎"行星，具有几乎相同的大小和质量，而它们以前被认为是截然不同的。另一方面，距离较近的行星开普勒-138b被证实是一颗火星质量的小行星，是迄今已知最小的系外行星之一。

Benneke总结说："随着我们的仪器和技术变得足够敏感，可以发现和研究离恒星更远的行星，我们可能开始发现更多像开普勒-138c和d这样的水世界。"