蒙特利尔天文学家发现两颗系外行星可能主要是水

由 UdeM 天文学家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”，即水占体积很大一部分的行星。这些世界位于天琴座 218 光年外的行星系统中，不同于我们太阳系中发现的任何行星。

该团队由蒙特利尔大学Trottier 系外行星研究所 (iREx)的博士生Caroline Piaulet领导，今天在《自然天文学》杂志上发表了对名为 Kepler-138 的行星系统的详细研究。

Piaulet是Björn Benneke研究小组的一员，他用宇航局的哈勃望远镜和退役的斯皮策太空望远镜观察了系外行星 Kepler-138c 和 Kepler-138d，发现这些行星——大约是地球大小的一倍半– 可能主要由水组成。这些行星和一颗离恒星较近的行星伴星 Kepler-138b 先前已被宇航局的开普勒太空望远镜发现。

水没有被直接检测到，但通过将行星的大小和质量与模型进行比较，他们得出结论，它们的体积的很大一部分——高达一半——应该由比岩石轻但比氢重的材料制成或氦(构成像木星这样的气态巨行星的主体)。这些候选材料中最常见的是水。

“我们以前认为比地球大一点的行星是金属和岩石的大球，就像放大版的地球，这就是我们称它们为超级地球的原因，”Benneke 解释说。“然而，我们现在已经表明，开普勒 138c 和 d 这两个行星在性质上截然不同：它们整个体积的很大一部分可能由水组成。这是我们第一次观察到可以自信地识别的行星作为水世界，一种被天文学家理论认为存在很长时间的行星。”

“我们以前认为比地球大一点的行星是金属和岩石的大球，就像放大版的地球，这就是我们称它们为超级地球的原因，” Benneke解释说。“然而，我们现在已经表明，开普勒 138c 和 d 这两个行星在性质上截然不同：它们整个体积的很大一部分可能由水组成。这是我们第一次观察到可以自信地识别的行星作为水世界，一种被天文学家理论认为存在很长时间的行星。”

由于体积是地球的三倍多，质量是地球的两倍，行星 c 和 d 的密度比地球低得多。这是令人惊讶的，因为到目前为止，大多数被详细研究过的行星都只是比地球稍大一点，它们似乎都是像我们这样的岩石世界。研究人员说，与这两颗行星最接近的比较对象是外太阳系中的一些冰冷卫星，它们也主要由岩石核心周围的水组成。

“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了，”皮奥莱特解释道。“Kepler-138 c 和 d 不会有冰冷的表面，而是拥有巨大的水蒸气包层。”

研究人员警告说，这些行星可能没有像地球上那样直接位于行星表面的海洋。“开普勒 138c 和开普勒 138d 大气层的温度可能高于水的沸点，我们预计这些行星上会有一层由蒸汽构成的浓密大气层。只有在这种蒸汽气氛下，才有可能存在高压液态水，甚至可能存在高压下另一相的水，称为超临界流体，”皮奥莱特说。

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，它可能被液态水海洋覆盖，但需要宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜来研究它的大气层并确认其存在海洋。

系统中的一颗新系外行星

2014 年，来自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，开普勒 138 是天琴座中的一颗红矮星。这是基于当行星从他们的恒星短暂经过时星光的可测量下降，凌日。

Benneke和他来自新墨西哥大学的同事 Diana Dragomir 提出了在 2014 年至 2016 年间使用哈勃和斯皮策太空望远镜重新观测行星系统的想法，以捕捉更多开普勒 138d 的凌日现象，开普勒 138d 是第三颗行星系统，以研究其气氛。

虽然早些时候宇航局开普勒太空望远镜的观测结果只显示了三颗小行星绕 Kepler-138 凌日，但 Piaulet和她的团队惊讶地发现哈勃望远镜和斯皮策望远镜的观测表明该系统中存在第四颗行星 Kepler-138e。

这颗新发现的行星很小，比其他三颗行星离恒星更远，需要 38 天才能完成一个轨道。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接收恰到好处的热量，既不会太热也不会太冷以致液态水无法存在。

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，因为它似乎并没有经过它的主星。观察这颗系外行星的凌日现象可以让天文学家确定它的大小。

开普勒 138e 现在出现在图片中，之前已知行星的质量通过凌日时间变化法再次测量，该方法包括跟踪行星在其恒星前面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。

研究人员还有另一个惊喜：他们发现 Kepler-138c 和 d 这两个水世界是“双胞胎”行星，大小和质量几乎相同，而此前人们认为它们截然不同。另一方面，距离较近的行星 Kepler-138b 被证实是一颗质量与火星相当的小行星，是迄今为止已知的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，可以发现和研究离恒星更远的行星，我们可能会开始发现更多像 Kepler-138 c 和 d 一样的水世界，” Benneke总结道。