一颗 1.5-$R_\oplus$ 行星富含挥发性成分的证据

半径小于约 $1.7~R_\oplus$ 的行星群体被广泛解释为由岩石世界组成，通常称为超级地球。这一图景在很大程度上得到近距超级地球的径向速度（RV）质量测量的证实，但在较低入射通量下缺乏约束。本文中，我们展示了利用 13 次哈勃和斯皮策对温暖温带 $1.51\pm0.04~R_\oplus$ 行星 Kepler-138 d（$T_{\mathrm{eq, A_B=0.3}}$~350 K）的凌星观测，结合其宿主星的新 Keck/HIRES RV 测量，对 Kepler-138 系统详细研究的结果。我们发现 Kepler-138 d 具有富含挥发性的“水世界”性质的证据，其质量很大一部分包含于厚厚的挥发性层中。该发现独立地得到凌星计时变分、RV 观测（$M_d=2.1_{-0.7}^{+0.6}~M_\oplus$）以及平坦的光学/红外透射谱的支持。定量上，我们推断其成分为质量分数 $11_{-4}^{+3}$\% 的挥发性物质或体积分数约 51%，在具有类地硅酸盐/铁比的核心之上为 2000 km 深的含水地幔与大气。任何与观测一致的假想氢层（$<0.003~M_\oplus$）都会在约 10 Myr 时间尺度上迅速流失。因此，Kepler-138 d 的整体成分更类似于太阳系中的冰卫星而非类地行星。我们得出结论：并非所有超级地球尺寸的行星都是岩石世界，而是存在与岩石世界尺寸区间重叠的富挥发性的水世界，尤其在较低入射通量下。最后，我们的光动力学分析还揭示 Kepler-138 c（$R_c=1.51 \pm 0.04~R_\oplus$，$M_c=2.3_{-0.5}^{+0.6}~M_\oplus$）是 Kepler-138 d 稍温暖的孪生星，即同一系统中另一颗水世界，并且我们推断存在 Kepler-138 e，一颗可能不凌星的、位于宜居区内缘的行星。