发现：太阳系外首批地球大小的行星

天鹅座中两颗小型焦土般的地球大小行星围绕一颗红色太阳状恒星运行，标志着著名的开普勒太空望远镜任务的又一个里程碑。它们是迄今为止发现的最小系外行星——其中一颗只有地球大小的 1.03 倍，是名副其实的双星。

这些行星并不位于其恒星的宜居带，但它们的大小合适——因此，它们可以填补更多星际行星的谜题。

这些行星的排列方式很奇怪，夹在三颗气态巨行星中间，而且都在水星轨道内。它们被埋藏在近两年的数据中，天文学家不得不使用一些极其精密的计算技术来确认它们确实是行星。

其中一颗行星，开普勒-20f，可能拥有水蒸气大气层，尽管天文学家还不能确定。他们所知道的是，这颗行星比我们的星球稍大一点（质量也只大一点）。

“这是我们在宇宙中看到的距离地球最近的物体，”哈佛-史密森天体物理中心的弗朗索瓦·弗雷辛说，他是有关新世界的论文的主要作者。

这两颗行星都围绕一颗名为开普勒-20 的恒星运行，这是一颗 G 型恒星，温度略低于太阳，距离地球 950 光年。（正如 CfA 指出的那样，航天飞机需要 3600 万年才能到达开普勒-20。）

弗雷辛在接受采访时表示，根据这些行星的大小和围绕恒星的位置，它们可能具有与地球非常相似的成分。它们靠近开普勒-20，因此受到大量辐射，而且它们太小，无法在恒星风的吹拂下保留氢和氦等较轻的元素——因此有证据表明它们是岩石。这只是成分问题，它们是否含有大量的铁或硅酸盐。

他说，这些行星不可能在它们目前的位置形成，它们一定是向内迁移的。开普勒-20f 在其生命早期可能拥有含有大量水蒸气的大气层，这使其适合居住，至少根据大多数行星宜居指数来看是如此。

弗雷辛说：“如果它确实是从外太阳系迁移而来，那么在早期历史上它可能是适宜居住的。”

本月早些时候，开普勒团队发布了大量数据，其中还包括第一颗围绕恒星运行的类地行星的消息。这颗行星名为开普勒-22b，比地球大得多，但位于适合液态水存在的温带地区。不过，它的表面可能没有岩石。这些新行星太热，不适合水存在，但它们的岩石形态和尺寸都更像地球。

“我认为开普勒-22b 是一边，开普勒-20e 和 20f 是另一边，它们是拼图的两个部分，”弗雷辛说。“我们需要结合在宜居带中发现一颗地球大小的行星。”

开普勒望远镜的设计初衷是寻找天鹅座和天琴座 144,000 颗恒星表面的亮度光斑，旨在找到拥有类地行星的类太阳系统。在两年的运行中，宇宙普查已迅速发展到 2,000 多个星球，包括超级木星、超级地球、漆黑的吸光和吸热星球等等。但寻找地球双胞胎星球却很困难。问题的一部分在于标准——弗雷辛说，地球类似物需要具有类似的大小、位置、成分、自转和许多其他因素才能真正像地球。以开普勒-22b 为例：它的温度合适，但半径是地球的 2.4 倍，因此体积要大得多。

“我预计我们不会很快找到一颗真正、清晰的地球孪生行星——有太多不同的层次，”弗雷辛说。“也许我们不仅需要一颗位于宜居带且大小合适的行星，还需要一颗与恒星相似的行星。如果我们不知道大气层里有什么，或者我们对大气层没有任何限制，我们怎么能说它有地球孪生行星的正确特征呢？”

这些小行星实际上是已发现的开普勒-20 太阳系中最新发现的成员。三颗最大的行星被指定为开普勒-20b、20c 和 20d，直径分别为 15,000、24,600 和 22,000 英里，公转周期分别为 3.7、10.9 和 77.6 天。CfA 指出，开普勒-20b 的质量是地球的 8.7 倍，开普勒-20c 的质量是地球的 16.1 倍。开普勒-20d 的重量不到地球的 20 倍。

这些行星排列成一个非常奇怪的系统，岩石和气体交替存在，这与天文学家从未见过的任何东西都不一样，CfA 的合著者 David Charbonneau 说。他向他的天文学家同事们发起挑战，希望他们能帮助他解释这一点。

他说：“我班上的新生很快就会指出，今天的发现对我们太阳系形成的模型提出了严峻的挑战。”

弗雷辛解释说，由于体积巨大，它们的小伴星很难被发现，之前发现它们的尝试都没有成功。天文学家曾看到一些他们认为可能是行星在开普勒-20 表面移动的光点，但一年前的分析无法排除其他可能来源。太空望远镜的额外数据以及弗雷辛和同事的额外计算导致了最后的顿悟时刻。

当行星从恒星表面经过时，恒星会变暗，开普勒望远镜就是为了探测到这一点而设计的。科学家必须排除其他可能的原因，如背景恒星、褐矮星、食双星等。为了确认行星的存在，天文学家会检查行星引力引起的微小摆动。这可以通过位于夏威夷的凯克望远镜从地面验证。但在这种情况下，新行星太小，无法进行地面验证。

Fressin 使用了 Blender 软件，这是他与 CfA 天文学家 Willie Torres 共同开发的（该软件还用于验证其他行星发现，包括开普勒-22b）。Fressin 和近 30 名合作者使用 Blender 进行了数百万次模拟，并排除了除假定行星之外的任何其他暗化源。

这真是太棒了，因为当天文学家进入这个新的行星质量范围时——大小与地球相当或更小的小世界——他们需要复杂的分析来验证他们所看到的东西。这篇论文将一种新的计算技术与旧的开普勒前恒星摆动检查技术相结合。

该项研究今天发表在《自然》杂志的在线版上。