重大發(fā)現(xiàn)！兩顆行星上含有大量水源！海洋比地球深五百倍！

兩個(gè)外星的水世界，海洋深度是地球海洋的500倍

藝術(shù)家繪制了開普勒-138d處于前景，開普勒-138c和開普勒138b的剪影正穿越其恒星。開普勒-138c和開普勒-138d均為水世界，比地球略大一點(diǎn)。但它們的全球海洋比地球海洋要深得多，也更為溫暖，上面籠罩著滾燙的水蒸氣大氣層。（圖源：NASA/ ESA/ Leah Hustak (STScI)/ Hubblesite）

2022年12月，天文學(xué)家宣布他們成功鑒定了一批完全不同于太陽(yáng)系內(nèi)的、真正的水世界。這批系外行星體積略大于地球，它們的密度介于地球這樣的巖石世界和太陽(yáng)系內(nèi)的氣態(tài)外行星之間。天文學(xué)家們相信這些星球的全球海洋至少比地球海洋的平均深度深500倍。相比之下，地球海洋簡(jiǎn)直只算得上巖石上蓋著一小層水而已。

這兩顆含水行星繞著紅矮星開普勒-138運(yùn)轉(zhuǎn)，距離我們所在的天琴座方向218光年?？茖W(xué)家們?cè)茰y(cè)過(guò)會(huì)有像這樣的全球被水覆蓋的行星存在，他們也曾獲得過(guò)一定的線索。但此番是第一次擁有良好證據(jù)并觀測(cè)到到具體發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家們此次研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于哈勃和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡。

加拿大蒙特利爾大學(xué)特洛蒂爾系外行星研究所的卡羅琳·皮奧萊特領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作。研究人員于2022年12月15日在《自然·天文》雜志上發(fā)表了同行評(píng)議的發(fā)現(xiàn)。該論文的免費(fèi)預(yù)印本也可在文獻(xiàn)網(wǎng)站arXiv上獲得。

全球覆蓋著深海的水世界

毫無(wú)疑問(wèn)，表面覆蓋著大量海洋的地球也是水世界。但這兩顆新發(fā)現(xiàn)的系外行星開普勒-138c和開普勒-138d上的海洋或許至少深達(dá)1000英里（合1600公里），這是地球海洋平均深度的500倍。

在太陽(yáng)系中，像木星和土星的木衛(wèi)二、土衛(wèi)二這些海洋衛(wèi)星都是與之十分相近的例子。但無(wú)論是木衛(wèi)二還是土衛(wèi)二的體積都要小很多，在它們的海洋下面藏著一層冰殼。而這些新發(fā)現(xiàn)的行星比起木衛(wèi)二土衛(wèi)二等衛(wèi)星要更大更溫暖。正如皮奧萊特所說(shuō)：

想象一下，更大號(hào)的木衛(wèi)二和土衛(wèi)二、兩顆富含水的衛(wèi)星在繞著木星和土星近距離運(yùn)轉(zhuǎn)。而且它們表面不是冰面，而是富含水蒸汽的大氣層。

奇怪的密度暗藏玄機(jī)

這些天文學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這些水世界的呢？哈勃和現(xiàn)已退役的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡為此項(xiàng)研究提供了數(shù)據(jù)。當(dāng)研究人員研究數(shù)據(jù)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了些不尋常的地方。這兩個(gè)行星僅比地球略大，但它們的密度比地球或其他已知的巖石行星要低得多。然而，它們?nèi)匀槐韧馓?yáng)系的氣態(tài)或冰態(tài)巨星密度高。這是為什么呢？

蒙特利爾大學(xué)合著學(xué)者比約恩·本內(nèi)克說(shuō)：

我們以前認(rèn)為比地球稍大的行星是由金屬和巖石組成的巨大球體，就像地球的放大版一樣，也因此我們稱它們?yōu)槌?jí)地球。然而，我們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)開普勒-138c和開普勒-138d在性質(zhì)上是完全不同的，它們整體的絕大部分很可能都由水組成。長(zhǎng)期以來(lái)，這類大量含水的行星一直只存在于天文學(xué)家們的理論中，這次發(fā)現(xiàn)是迄今為止關(guān)于水世界行星的最佳證據(jù)。

與地球不同的水世界

雖然這些含水行星的海洋與地球海洋一樣都是由水構(gòu)成，研究人員認(rèn)為二者存在巨大差異。證據(jù)表明，這些行星上的海洋溫度明顯更高，而且處于高壓環(huán)境。海洋的頂部和行星的大氣層幾乎融為一體，沒(méi)有明確界限。例如，開普勒-138d的大氣層溫度很高，可能其實(shí)是由蒸汽組成。皮奧萊特表示：

開普勒-138d的大氣層的溫度或高于水的沸點(diǎn)，按照我們的預(yù)計(jì)，這個(gè)星球上的大氣層應(yīng)該是由蒸汽組成的，非常稠密。只有在這種蒸汽大氣之下，才有可能有高壓下的液態(tài)水，甚至是在高壓下出現(xiàn)的另一種相態(tài)的水，稱為超臨界流體。

通常來(lái)說(shuō)，巖石行星上的溫度是水世界存在的前提條件，但開普勒-138c和開普勒-138d并不處于這樣的宜居帶中，它們都位于它們的恒星附近。這也意味著水世界是以我們熟知的方式存在：以湖泊的狀態(tài)或者像地球海洋那樣存在。但由于這兩顆行星離他們的恒星更近，所以它們的大氣層過(guò)熱和充滿蒸汽，深處的液態(tài)水處于高壓下。

地球和開普勒-138d的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較。圖源：Benoit Gougeon (University of Montreal)/ Hubblesite.

開普勒-138系統(tǒng)中的另外兩顆行星

開普勒-138b也是巖石行星，甚至比火星還小，質(zhì)量為地球的0.07倍。另一方面，開普勒-138e則是距離恒星最遠(yuǎn)的行星，僅在宜居帶的內(nèi)邊緣，繞恒星公轉(zhuǎn)38天。天文學(xué)家還不確定它到底有多大，但研究表明開普勒-138e比開普勒-138b大，質(zhì)量為地球的0.43倍。與前三個(gè)行星不同，由于開普勒-138e的軌道不會(huì)在恒星前面經(jīng)過(guò)，因此難以研究。論文中指出：

在開普勒光變曲線中可以探測(cè)到開普勒-138b、c和d過(guò)境。然而，盡管開普勒-138e應(yīng)該比開普勒-138b更大，但其仍無(wú)法探測(cè)到其過(guò)境跡象。我們將其解釋為開普勒-138e軌道可能并不過(guò)境其恒星。

總的來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)表明，并非所有超級(jí)地球都是巖石行星。有些像開普勒-138c和d一樣，可以大部分由水組成。天文學(xué)家預(yù)計(jì)將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多這樣的行星，正如本內(nèi)克所說(shuō)：

隨著設(shè)備和技術(shù)愈發(fā)精進(jìn)，我們可以發(fā)現(xiàn)、研究離恒星更遠(yuǎn)的行星，也就有可能發(fā)現(xiàn)更多這樣的水世界。

一言以蔽之：一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組表示，距離地球218光年的兩個(gè)系外行星是真正的水世界，擁有比地球海洋深500倍的全球性海洋。

BY:Paul Scott Andersonand

FY: 洲

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