NASA的哈勃望远镜和斯皮策望远镜发现，两颗系外行星主要成分可能是水
由蒙特利尔大学的研究人员领导的一个团队发现了证据，表明围绕一颗红矮星运行的两颗系外行星是“水世界”，水在整个行星中占了很大一部分。这些行星位于天琴座218光年外的一个行星系中，不同于我们太阳系中发现的任何行星。
由蒙特利尔大学特罗捷系外行星研究所的卡罗琳·皮奥莱领导的团队在《今日自然天文学》杂志上发表了对这个被称为开普勒-138的行星系统的详细研究。
在这幅图中，前景是超级地球开普勒-138 d。左边是行星开普勒-138 c，背景中是行星开普勒-138 b，从剪影中可以看到它的中心恒星。开普勒-138是一颗红矮星，距离地球218光年。开普勒-138 c和开普勒-138 d的密度很低，它们的大小几乎相同，这意味着它们的主要成分一定是水。它们的质量都是地球的两倍，但密度大约是地球的一半，因此主要成分不可能是固体岩石。这是基于它们的质量与物理直径的测量结果。它们被认为是一种新的“水行星”，不同于我们太阳系中发现的任何主要行星。开普勒-138 b是已知最小的系外行星之一，其质量与火星相当，密度与岩石相当。
影像来源：NASA, ESA, and Leah Hustak (STScI)
皮奥莱和同事们用NASA的哈勃望远镜和退役的斯皮策太空望远镜观测了系外行星开普勒-138 c和开普勒-138 d，发现这些行星可能主要由水组成。这两颗行星和更靠近恒星的一颗较小的行星伴星开普勒-138 b此前已被NASA的开普勒太空望远镜发现。这项新研究还发现了存在第四颗行星的证据。
开普勒-138 c和d没有直接探测到水，但通过将行星的大小和质量与模型进行比较，天文学家得出结论，它们体积的很大一部分（多达一半）应该由比岩石轻但比氢或氦重的材料组成（氢或氦构成了像木星这样的气态巨行星的大部分）。这些候选材料中最常见的是水。
“我们以前认为比地球稍大的行星是由金属和岩石组成的大球体，就像放大版的地球，这就是为什么我们称它们为超级地球。”蒙特利尔大学天体物理学教授比约恩·本奈克解释道。“然而，我们现在已经证明，这两颗行星，开普勒-138 c和d，在性质上有很大的不同，它们整个体积的很大一部分可能是由水组成。这是迄今为止存在水世界的最佳证据，天文学家认为这类行星存在了很长时间。”
这是一幅艺术家的插图，展示了地球（左）和系外行星开普勒-138d（右）的横截面。与地球一样，这颗系外行星的内部由金属和岩石组成（棕色部分），但开普勒-138 d也有一层厚厚的高压水，其形式多种多样：超临界和潜在的液态水在行星内部深处，其上方有一个延伸的水蒸气包层（蓝色阴影部分）。这些水层占其体积的50%以上，深度约为1,243英里（2,000公里）。相比之下，地球上的液态水比例微不足道，平均水深小于2.5英里（4公里）。
影像来源：Benoit Gougeon (University of Montreal)
行星c和d的体积是地球的三倍多，质量是地球的两倍，它们的密度比地球低得多。这令人惊讶，因为迄今为止详细研究过的大多数比地球稍大的行星似乎都是像我们这样的岩石世界。研究人员表示，最接近的比较将是外太阳系中的一些冰卫星，它们也主要由围绕岩石核心的水组成。
“想象一下更大版本的欧罗巴或土卫二，这些富含水的卫星围绕木星和土星运行，但离它们的恒星更近。”皮奥莱解释道。“它们不会有冰冷的表面，而是会被大量的水蒸气包裹。”
研究人员警告说，这些行星表面可能没有像地球上那样的海洋。“开普勒-138 d大气中的温度很可能高于水的沸点，我们预计这颗行星上会有一个由蒸汽构成的稠密的大气层。只有在这种蒸汽氛围下，才有可能存在高压液态水，甚至是高压下出现的另一种状态的水，这种状态被称为超临界流体。”皮奥莱说。
2014年，来自NASA的开普勒太空望远镜的数据使天文学家宣布探测到三颗围绕开普勒-138运行的行星。这是基于当行星暂时从它们的恒星前面经过时，星光的可测量下降。
本奈克和他的同事戴安娜·德拉戈米尔（来自新墨西哥大学）提出了在2014年至2016年间用哈勃和斯皮策太空望远镜重新观测行星系统的想法，以捕捉系统中第三颗行星开普勒-138 d的更多凌日现象，从而研究其大气层。
系统中一颗新的系外行星
这两个可能的水世界，开普勒-138 c和d，并不位于宜居带，宜居带是指恒星周围的温度允许液态水存在于岩石行星表面的区域。但在哈勃和斯皮策的数据中，研究人员还发现了该系统中存在一颗新行星的证据，开普勒-138 e，位于宜居带。
这颗新发现的行星比其他三颗行星小，离它的恒星更远，绕恒星运行一周需要38天。然而，这颗额外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恒星。观测这颗系外行星的凌日现象可以让天文学家确定它的大小。
随着开普勒-138 e现在出现在图片中，通过凌日时间变分法再次测量了先前已知行星的质量，该方法包括跟踪由其他附近行星的引力引起的行星凌日在其恒星前面的精确时刻的微小变化。
研究人员还有另一个惊喜：他们发现开普勒-138 c和d这两个水世界是“孪生”行星，它们的大小和质量几乎相同，而此前人们认为它们完全不同。另一方面，距离地球较近的开普勒-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。
“随着我们的仪器和技术变得足够灵敏，我们能够发现和研究距离恒星更远的行星，我们可能会开始发现更多的水世界。”本奈克总结道。
利用NASA的哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜的数据，天文学家发现有证据表明，围绕一颗218光年外的恒星运行的两颗系外行星是“水世界”，水占整个行星的很大一部分。
影像来源：NASA Goddard Space Flight Center, Lead Producer: Paul Morris
哈勃太空望远镜是NASA和ESA之间的国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理着这架望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学操作。STScI由华盛顿特区特区大学天文研究协会为NASA运营。
参考来源：