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两个外星的水世界，海洋深度是地球海洋的500倍
艺术家绘制了开普勒-138d处于前景，开普勒-138c和开普勒138b的剪影正穿越其恒星。开普勒-138c和开普勒-138d均为水世界，比地球略大一点。但它们的全球海洋比地球海洋要深得多，也更为温暖，上面笼罩着滚烫的水蒸气大气层。（图源：NASA/ ESA/ Leah Hustak (STScI)/ Hubblesite）
2022年12月，天文学家宣布他们成功鉴定了一批完全不同于太阳系内的、真正的水世界。这批系外行星体积略大于地球，它们的密度介于地球这样的岩石世界和太阳系内的气态外行星之间。天文学家们相信这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，地球海洋简直只算得上岩石上盖着一小层水而已。
这两颗含水行星绕着红矮星开普勒-138运转，距离我们所在的天琴座方向218光年。科学家们曾推测过会有像这样的全球被水覆盖的行星存在，他们也曾获得过一定的线索。但此番是第一次拥有良好证据并观测到到具体发现。天文学家们此次研究的数据来源于哈勃和斯皮策太空望远镜。
加拿大蒙特利尔大学特洛蒂尔系外行星研究所的卡罗琳·皮奥莱特领导了这个团队的工作。研究人员于2022年12月15日在《自然·天文》杂志上发表了同行评议的发现。该论文的免费预印本也可在文献网站arXiv上获得。
全球覆盖着深海的水世界
毫无疑问，表面覆盖着大量海洋的地球也是水世界。但这两颗新发现的系外行星开普勒-138c和开普勒-138d上的海洋或许至少深达1000英里（合1600公里），这是地球海洋平均深度的500倍。
在太阳系中，像木星和土星的木卫二、土卫二这些海洋卫星都是与之十分相近的例子。但无论是木卫二还是土卫二的体积都要小很多，在它们的海洋下面藏着一层冰壳。而这些新发现的行星比起木卫二土卫二等卫星要更大更温暖。正如皮奥莱特所说：
想象一下，更大号的木卫二和土卫二、两颗富含水的卫星在绕着木星和土星近距离运转。而且它们表面不是冰面，而是富含水蒸汽的大气层。
奇怪的密度暗藏玄机
这些天文学家是如何发现这些水世界的呢？哈勃和现已退役的斯皮策空间望远镜为此项研究提供了数据。当研究人员研究数据时，他们发现了些不寻常的地方。这两个行星仅比地球略大，但它们的密度比地球或其他已知的岩石行星要低得多。然而，它们仍然比外太阳系的气态或冰态巨星密度高。这是为什么呢？
蒙特利尔大学合著学者比约恩·本内克说：
我们以前认为比地球稍大的行星是由金属和岩石组成的巨大球体，就像地球的放大版一样，也因此我们称它们为超级地球。然而，我们现在已经发现开普勒-138c和开普勒-138d在性质上是完全不同的，它们整体的绝大部分很可能都由水组成。长期以来，这类大量含水的行星一直只存在于天文学家们的理论中，这次发现是迄今为止关于水世界行星的最佳证据。
与地球不同的水世界
虽然这些含水行星的海洋与地球海洋一样都是由水构成，研究人员认为二者存在巨大差异。证据表明，这些行星上的海洋温度明显更高，而且处于高压环境。海洋的顶部和行星的大气层几乎融为一体，没有明确界限。例如，开普勒-138d的大气层温度很高，可能其实是由蒸汽组成。皮奥莱特表示：
开普勒-138d的大气层的温度或高于水的沸点，按照我们的预计，这个星球上的大气层应该是由蒸汽组成的，非常稠密。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态的水，称为超临界流体。
通常来说，岩石行星上的温度是水世界存在的前提条件，但开普勒-138c和开普勒-138d并不处于这样的宜居带中，它们都位于它们的恒星附近。这也意味着水世界是以我们熟知的方式存在：以湖泊的状态或者像地球海洋那样存在。但由于这两颗行星离他们的恒星更近，所以它们的大气层过热和充满蒸汽，深处的液态水处于高压下。
地球和开普勒-138d的内部结构比较。图源：Benoit Gougeon (University of Montreal)/ Hubblesite.
开普勒-138系统中的另外两颗行星
开普勒-138b也是岩石行星，甚至比火星还小，质量为地球的0.07倍。另一方面，开普勒-138e则是距离恒星最远的行星，仅在宜居带的内边缘，绕恒星公转38天。天文学家还不确定它到底有多大，但研究表明开普勒-138e比开普勒-138b大，质量为地球的0.43倍。与前三个行星不同，由于开普勒-138e的轨道不会在恒星前面经过，因此难以研究。论文中指出：
在开普勒光变曲线中可以探测到开普勒-138b、c和d过境。然而，尽管开普勒-138e应该比开普勒-138b更大，但其仍无法探测到其过境迹象。我们将其解释为开普勒-138e轨道可能并不过境其恒星。
总的来说，这些发现表明，并非所有超级地球都是岩石行星。有些像开普勒-138c和d一样，可以大部分由水组成。天文学家预计将会发现更多这样的行星，正如本内克所说：
随着设备和技术愈发精进，我们可以发现、研究离恒星更远的行星，也就有可能发现更多这样的水世界。
一言以蔽之：一个国际天文学家小组表示，距离地球218光年的两个系外行星是真正的水世界，拥有比地球海洋深500倍的全球性海洋。
BY:Paul Scott Andersonand
FY: 洲
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