本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
尽管受到老化影响，但美国宇航局的开普勒行星探测望远镜仍被证明是近乎取之不尽的发现引擎。该天文台在2013年 设备故障 使其行星发现洪流减缓至涓涓细流之前，发现了数千个新世界，但聪明的研究人员已经设法从其大量的档案数据中挖掘出 卓越的新发现 。昨天宣布的最新成果是一项技术上的杰作：一个天文学家团队利用从开普勒四年观测中获得的8800万次测量数据，首次测量了一颗比地球小的行星的重量，发现开普勒-138b的质量大约是火星的三分之二。研究结果发表在 《自然》 杂志上（《大众科学》是自然出版集团的一部分）。
“即使是开发开普勒任务的远见卓识者也从未想到开普勒数据本身会测量像这些行星一样的质量，”宾夕法尼亚州立大学的天文学家、研究合著者埃里克·福特说。据同样来自宾夕法尼亚州立大学的首席作者丹尼尔·琼托夫-胡特称，这项壮举类似于测量1000万公里以外的高尔夫球的尺寸。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保未来能够继续讲述关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事。
上面的动画展示了127颗系外行星的质量和半径（大小）与我们太阳系中行星的比较，从木星大小的世界尺度缓慢放大，以显示开普勒-138行星相对于地球、金星、火星和水星的尺寸。每颗系外行星周围的十字表示与该行星质量和大小相关的不确定性范围。
开普勒-138b围绕一颗距离地球约200光年的昏暗红矮星运行，轨道周期为10天，非常炎热，伴随着开普勒-138c和开普勒-138d，这两颗已知行星略大于地球。所有这三颗行星都离它们的恒星太近，无法被认为是宜居的，都位于我们太阳系中水星轨道以内。从地球上看，每个行星都会“凌星”经过恒星，向我们投下阴影，开普勒将其记录为星光中微小的下降。这些凌星下降越大，投下阴影的行星就必须越大。
凌星通常只允许天文学家了解一个世界的大小，但开普勒-138的凌星行星提供了更多信息。它们是紧密的三重星系统，轨道非常接近，以至于每个行星的引力都会显著地、周期性地影响其他行星的运动。这种引力的潮起潮落改变了每个行星凌星的时间，使它们像晚点的火车一样提前或延迟到达。通过分析所有三颗行星的“凌星时间变化”，该团队了解了每个行星受到扰动的强度，从而估算出每个行星的质量。
为了体会这些测量的难度，请考虑这个由SETI研究所的研究合著者杰森·罗威提供的说明性类比：想象一下帝国大厦，所有的窗户都亮着灯，所有的窗帘都拉开着。仅仅探测到开普勒-138b、c和d就相当于从大约100公里外看到整个大楼的三个窗帘部分放下。现在想象一下，每个放下的窗帘都会稍微改变其他窗帘的时间，而且这三个窗帘每月最多只放下几分钟或几小时。简而言之，这就是为什么测量开普勒-138行星的质量需要四年观测的原因。
所有的辛勤工作都带来了巨大的回报。找到行星的大小和质量，您就可以推测其密度和组成，从而了解该世界的真实物质。近年来，开普勒和其他项目表明，大多数拥有行星的恒星都蕴藏着奇怪的世界，它们的重量超过地球，但小于海王星。我们自己的太阳系中不存在这样的行星——这些世界对我们来说在各个方面都是陌生的。充满希望的天文学家将这些行星称为“超级地球”，想象它们是我们地球的更大版本，但少数几个密度经过测量的行星被证明更像是“迷你海王星”，比任何岩石世界都更轻、更蓬松。为什么以及如何存在如此丰富的这种未预测的行星种群已成为困扰行星猎人的核心问题，特别是那些寻找其他地球的人。
系外行星“似乎呈现出一种永无止境的挫败期望的能力”，加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家格雷格·劳克林说，他撰写了一篇 评论 来配合开普勒-138的研究。“越来越清楚的是，超级地球既不是超级的，也不是地球，我认为基本上同样的混淆趋势将适用于实际的地球质量行星。”
至少，开普勒-138b看起来相对熟悉。其估计密度与火星相似——大约是一个小型、岩石为主的世界所预期的。恒星外侧的下一颗行星，即大约地球大小的开普勒-138c，更重但也同样熟悉：密度与地球相似，它很可能具有金属和岩石的混合成分，就像我们自己的行星一样。但最外层已知的行星开普勒-138d的密度不到一半，表明这是一个充满大量水和气体的非地球世界。它只是在遵循许多其他所谓的超级地球的异类原型方面才显得熟悉。开普勒-138d富含精细、易挥发的元素，这些元素往往不会在靠近恒星的酷热温度中停留，它可能形成于更远的寒冷地带，然后螺旋下降到目前温暖的位置。
罗威说，所有这些多样性意味着“我们不能仅根据大小来推断行星的整体物理性质”，特别是当行星的大小接近地球时。在行星探测望远镜的探测器中，看起来像地球般的阴影斑点，经过进一步调查，可能会证明它是一个地球大小的铁球，或者是一个主要由冰或气体组成的世界。只有通过测量大量地球大小和更小行星的密度，天文学家才能希望了解像我们这样的岩石世界出现的频率，以及岩石行星和气态行星之间转变的确切位置。
用于精确执行此操作的工具很快就会到位。开普勒的两个后继者——美国宇航局的TESS任务和欧空局的PLATO任务——将在未来几年发射。每个任务都将在太阳最近、最亮的邻近恒星周围搜索凌星世界，为其他设施（如詹姆斯·韦伯太空望远镜）提供大量小型、潜在的岩石行星，以便进行更详细的检查。不久之后，天文学家将把许多世界的重量放在心上——也许也会放在肩上，如果行星再次未能符合他们的模型的话。