美国宇航局发现一对拥有1000英里深海洋的超级地球

　　在1995年的末世动作片《水世界》中，地球的极地冰盖已经完全融化，海平面上升到5英里以上，几乎覆盖了所有的陆地。天文学家发现了一对行星，它们是真正的＂水世界＂，不同于我们太阳系中发现的任何行星。
　　它们比地球略大，但没有岩石的密度。然而，它们的密度却比围绕我们太阳运行的气态外行星还要大。那么，它们是由什么构成的呢？最好的答案是，这些系外行星的全球海洋至少比地球海洋的平均深度深500倍，它们仅仅是岩石球上的一层湿润的外衣。
　　这些湿漉漉的世界围绕红矮星开普勒-138运行，位于218光年外的天琴座。这些行星是在2014年由美国宇航局的开普勒太空观测站发现的。用斯皮策和哈勃太空望远镜进行的后续观测发现，这些行星主要由水组成。水的光谱特征没有被直接观察到。但是这个结论是基于它们的密度，而密度是通过比较它们的大小和质量计算出来的。
　　不要指望在全球的海洋中找到鱼。它们可能太暖和了，而且处于非常高的压力之下，因此在海洋表面和行星大气之间没有所谓的离散边界。
　　尽管望远镜不能直接观察到这些行星的表面，但它们的密度表明它们比岩石世界要轻，但比以气体为主的世界要重。
　　由蒙特利尔大学Trottier系外行星研究所（iREx）的Caroline Piaulet领导的团队于12月15日在《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。
　　Piaulet及其同事用NASA的哈勃和退役的斯皮策太空望远镜观测了系外行星Kepler-138 c和Kepler-138 d，发现这些行星可能主要由水组成。这两颗行星和离该恒星较近的一颗较小的行星伴侣--开普勒-138 b，此前已经被美国宇航局的开普勒太空望远镜发现。新的研究也发现了第四颗行星的证据。
　　在这幅插图中，超级地球开普勒-138 d位于前景。左边是开普勒-138 c号行星，背景是开普勒138 b号行星，在其中心恒星上有一个剪影。开普勒138是一颗红矮星，位于218光年之外。开普勒138 c和开普勒138 d的低密度--它们的大小几乎相同--意味着它们必须主要由水组成。它们的质量都是地球的两倍，但是密度大约是地球的一半，因此不可能是固体岩石。这是根据它们的质量与物理直径的测量结果得出的。它们被认为是一类新的＂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，密度为岩石。资料来源：美国宇航局、欧空局、Leah Hustak（STSCI）。
　　＂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，就像放大版的地球，这就是为什么我们称它们为超级地球，＂研究报告的共同作者、蒙特利尔大学天体物理学教授Björn Benneke解释说。＂然而，我们现在已经表明，这两颗行星，开普勒-138 c和d在性质上有很大的不同，它们整个体积中的很大一部分可能是由水组成的。这是迄今为止关于水世界的最佳证据，天文学家理论上认为这种类型的行星存在已久。＂
　　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，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，但离它们的恒星要近得多。它们不是一个冰冷的表面，而是有一个大的水蒸气包层。＂
　　这是一幅艺术家的插图，显示了地球（左）和系外行星开普勒-138 d（右）的横截面。和地球一样，这颗系外行星的内部由金属和岩石组成（棕色部分），但是开普勒-138 d也有一层厚厚的各种形式的高压水：行星深处的超临界水和潜在的液态水，以及其上方延伸的水蒸气包层（蓝色阴影）。这些水层占其体积的50%以上，或者说深度约为1,243英里（2,000公里）。相比之下，地球上的液态水的比例可以忽略不计，平均海洋深度不到2.5英里（4公里）。资料来源：蒙特利尔大学的Benoit Gougeon。
　　研究人员表示，这些行星可能没有像地球上那样直接在行星表面有海洋。开普勒-138 d的大气层中的温度可能高于水的沸点，我们预计这颗行星上有一个由蒸汽构成的厚实的密集大气层。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。＂
　　2014年，来自美国宇航局开普勒太空望远镜的数据让天文学家宣布探测到三颗围绕开普勒-138运行的行星。这是基于当行星瞬间经过它们的恒星前时，星光出现了可测量的凹陷。
　　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，以捕捉更多开普勒-138 d，即该系统中第三颗行星的过境，以研究其大气。
　　开普勒-138 c和d这两个可能的水世界并不位于宜居区，宜居区是指恒星周围温度允许岩质行星表面出现液态水的区域。但是在哈勃和斯皮策的数据中，研究人员还发现了该系统中的一颗新行星--开普勒-138 e--位于宜居带的证据。
　　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。然而，这颗额外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其主星。观测这颗系外行星的轨道将使天文学家能够确定其大小。
　　现在有了开普勒-138 e，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的微小变化，这些变化是由附近其他行星的引力引起的。
　　研究人员还有一个惊喜：他们发现开普勒-138 c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-138 b被证实是一颗火星质量的小行星，是迄今为止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，可以发现和研究离其恒星更远的行星，我们可能会开始发现更多这样的水世界。