由蒙特利爾大學（UdeM）領導的天文學家團隊發現兩顆系外行星可能主要是水。天文學家發現有證據表明圍繞一顆紅矮星運行的兩顆系外行星是”水世界”，即水佔體積很大一部分的行星。這兩顆行星位於218光年外天琴座的一個行星系統中，與我們太陽系中發現的任何行星都不同。

對一個被稱為開普勒-138的行星系統的詳細研究結果將於今天（12月15日）發表在《自然-天文學》雜誌上。該小組由蒙特利爾大學特羅蒂爾系外行星研究所（iREx）的博士生Caroline Piaulet領導。

作為Björn Benneke研究小組的一員，Piaulet用美國宇航局的哈勃和退役的斯皮策太空望遠鏡觀察了系外行星Kepler-138c和Kepler-138d。她發現這些行星–其大小約為地球的1.5倍–可能主要由水組成。這些行星和離這顆恆星更近的行星伴侶，開普勒-138b，此前已經被美國宇航局的開普勒太空望遠鏡發現。

水並沒有被直接探測到。然而，通過將這些行星的大小和質量與模型進行比較，他們得出結論，其體積的很大一部分應該是由比岩石輕但比氫或氦重的材料構成的（這些材料構成了像木星這樣的氣體巨行星的主體），水是符合這些規格的最常見的候選材料。

“我們以前認為，比地球大一點的行星是由金屬和岩石組成的大球，就像地球的放大版，這就是為什麼我們稱它們為超級地球，”Benneke解釋說。”然而，現在已經有證據表明，開普勒-138c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。這是我們第一次觀察到可以自信地確定為水世界的行星，這種類型的行星被天文學家理論上存在了很長時間。”

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岩石世界。研究人員說，與這兩顆行星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岩石核心的水組成。

“想像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，但更接近它們的恆星。開普勒-138 c和d不是一個冰冷的表面，而是有一個大的水蒸氣包層。”

根據研究人員的說法，這些行星可能不像我們在地球上那樣直接在行星的表面有海洋。”開普勒-138c和開普勒-138d大氣層中的溫度可能高於水的沸點，我們預計在這些行星上會有一個由蒸汽構成的厚實、密集的大氣層。”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。”

最近，蒙特利爾大學的另一個團隊發現了另一顆名為TOI-1452 b的行星，它有可能被液態水海洋所覆蓋，但是需要美國宇航局的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡來研究其大氣層並確認海洋的存在。

該系統中的一顆新系外行星

2014年，天文學家宣布利用美國宇航局開普勒太空望遠鏡的數據探測到三顆圍繞開普勒-138的行星，這是一顆位於天琴座的紅矮星。發現它是以行星過境為基礎的–當行星在其恆星前面瞬間經過時，星光的可測量的凹陷。

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，以捕捉開普勒-138d，該系統中的第三顆行星的更多過境，以研究其大氣。

儘管美國宇航局開普勒太空望遠鏡早期的觀測只顯示了圍繞開普勒-138的三顆小行星的凌日，Piaulet和她的團隊驚訝地發現，哈勃和斯皮策的觀測表明該系統中存在第四顆行星，開普勒-138e。

這顆新發現的行星很小，而且離它的恆星比其他三顆更遠，需要38天才能完成一個軌道周期。這顆行星位於其恆星的宜居帶，這是一個溫帶區域，行星從其涼爽的恆星上獲得恰到好處的熱量，既不會太熱也不會太冷，從而允許液態水的存在。

然而，這顆額外的、新發現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它的主星，觀測這顆系外行星的過境將使天文學家能夠確定其大小。

現在有了開普勒-138e，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，該方法包括跟踪行星在其恆星前凌日的精確時刻因附近其他行星的引力而發生的微小變化。

研究人員還有一個驚喜：他們發現開普勒-138c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-138b被證實是一顆火星質量的小行星，是迄今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，可以發現和研究離恆星更遠的行星，我們可能開始發現更多像開普勒-138c和d這樣的水世界。”