美國宇航局發現一對擁有1000英里深海洋的超級地球,不同于太陽系中發現的任何行星

在1995年的末世動作片《水世界》中,地球的極地冰蓋已經完全融化,海平面上升到5英里以上,幾乎覆蓋了所有的陸地。天文學家發現了一對行星,它們是真正的「水世界」,不同于我們太陽系中發現的任何行星。

它們比地球略大,但沒有巖石的密度。然而,它們的密度卻比圍繞我們太陽運行的氣態外行星還要大。那麼,它們是由什麼構成的呢?最好的答案是,這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,它們僅僅是巖石球上的一層濕潤的外衣。

這些濕漉漉的世界圍繞紅矮星開普勒-138運行,位于218光年外的天琴座。這些行星是在2014年由美國宇航局的開普勒太空觀測站發現的。用斯皮策和哈勃太空望遠鏡進行的后續觀測發現,這些行星主要由水組成。水的光譜特征沒有被直接觀察到。但是這個結論是基于它們的密度,而密度是通過比較它們的大小和質量計算出來的。

不要指望在全球的海洋中找到魚。它們可能太暖和了,而且處于非常高的壓力之下,因此在海洋表面和行星大氣之間沒有所謂的離散邊界。

盡管望遠鏡不能直接觀察到這些行星的表面,但它們的密度表明它們比巖石世界要輕,但比以氣體為主的世界要重。

由蒙特利爾大學Trottier系外行星研究所(iREx)的Caroline Piaulet領導的團隊于12月15日在《自然-天文學》雜志上發表了對這個被稱為開普勒-138的行星系統的詳細研究。

Piaulet及其同事用NASA的哈勃和退役的斯皮策太空望遠鏡觀測了系外行星Kepler-138 c和Kepler-138 d,發現這些行星可能主要由水組成。這兩顆行星和離該恒星較近的一顆較小的行星伴侶--開普勒-138 b,此前已經被美國宇航局的開普勒太空望遠鏡發現。新的研究也發現了第四顆行星的證據。

在這幅插圖中,超級地球開普勒-138 d位于前景。左邊是開普勒-138 c號行星,背景是開普勒138 b號行星,在其中心恒星上有一個剪影。開普勒138是一顆紅矮星,位于218光年之外。開普勒138 c和開普勒138 d的低密度--它們的大小幾乎相同--意味著它們必須主要由水組成。

它們的質量都是地球的兩倍,但是密度大約是地球的一半,因此不可能是固體巖石。這是根據它們的質量與物理直徑的測量結果得出的。它們被認為是一類新的「水行星」,不同于我們太陽系中發現的任何主要行星。開普勒-138 b是已知最小的系外行星之一,其質量與火星相當,密度為巖石。資料來源:美國宇航局、歐空局、Leah Hustak(STSCI)。

「我們以前認為,比地球大一點的行星是由金屬和巖石組成的大球,就像放大版的地球,這就是為什麼我們稱它們為超級地球,」研究報告的共同作者、蒙特利爾大學天體物理學教授Björn Benneke解釋說。「然而,我們現在已經表明,這兩顆行星,開普勒-138 c和d在性質上有很大的不同,它們整個體積中的很大一部分可能是由水組成的。這是迄今為止關于水世界的最佳證據,天文學家理論上認為這種類型的行星存在已久。」

c和d行星的體積是地球的三倍多,質量是地球的兩倍,其密度比地球低得多。這令人驚訝,因為迄今為止被詳細研究過的大多數僅比地球稍大的行星似乎都是像我們一樣的巖石世界。研究人員說,最接近的比較是外太陽系中的一些冰冷的衛星,它們也主要由圍繞著巖石核心的水組成。

「想象一下木衛二或土衛二的大版本,它們是圍繞木星和土星運行的富含水的衛星,但離它們的恒星要近得多。它們不是一個冰冷的表面,而是有一個大的水蒸氣包層。」

這是一幅藝術家的插圖,顯示了地球(左)和系外行星開普勒-138 d(右)的橫截面。和地球一樣,這顆系外行星的內部由金屬和巖石組成(棕色部分),但是開普勒-138 d也有一層厚厚的各種形式的高壓水:行星深處的超臨界水和潛在的液態水,以及其上方延伸的水蒸氣包層(藍色陰影)。這些水層占其體積的50%以上,或者說深度約為1,243英里(2,000公里)。相比之下,地球上的液態水的比例可以忽略不計,平均海洋深度不到2.5英里(4公里)。資料來源:蒙特利爾大學的Benoit Gougeon。

研究人員表示,這些行星可能沒有像地球上那樣直接在行星表面有海洋。開普勒-138 d的大氣層中的溫度可能高于水的沸點,我們預計這顆行星上有一個由蒸汽構成的厚實的密集大氣層。Piaulet說:「只有在這種蒸汽大氣之下,才有可能有高壓下的液態水,甚至是在高壓下出現的另一種相的水,稱為超臨界流體。」

2014年,來自美國宇航局開普勒太空望遠鏡的數據讓天文學家宣布探測到三顆圍繞開普勒-138運行的行星。這是基于當行星瞬間經過它們的恒星前時,星光出現了可測量的凹陷。

Benneke和他的同事,來自新墨西哥大學的Diana Dragomir,提出了在2014年和2016年之間用哈勃和斯皮策太空望遠鏡重新觀察該行星系統的想法,以捕捉更多開普勒-138 d,即該系統中第三顆行星的過境,以研究其大氣。

開普勒-138 c和d這兩個可能的水世界并不位于宜居區,宜居區是指恒星周圍溫度允許巖質行星表面出現液態水的區域。但是在哈勃和斯皮策的數據中,研究人員還發現了該系統中的一顆新行星--開普勒-138 e--位于宜居帶的證據。

這顆新發現的行星很小,而且離它的恒星比其他三顆更遠,需要38天才能完成一個軌道。然而,這顆額外的行星的性質仍然是一個懸而未決的問題,因為它似乎沒有經過其主星。觀測這顆系外行星的軌道將使天文學家能夠確定其大小。

現在有了開普勒-138 e,以前已知的行星的質量又通過凌日時間變化法進行了測量,該方法包括跟蹤行星在其恒星前凌日的精確時刻的微小變化,這些變化是由附近其他行星的引力引起的。

研究人員還有一個驚喜:他們發現開普勒-138 c和d這兩個水世界是「雙胞胎」行星,具有幾乎相同的大小和質量,而它們以前被認為是截然不同的。另一方面,距離較近的行星開普勒-138 b被證實是一顆火星質量的小行星,是迄今為止已知最小的系外行星之一。

Benneke總結說:「隨著我們的儀器和技術變得足夠敏感,可以發現和研究離其恒星更遠的行星,我們可能會開始發現更多這樣的水世界。


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