在天鵝座一顆類似太陽的紅色恆星周圍，兩顆體積雖小但表面灼熱的地球大小行星的發現，標誌著傳奇的開普勒太空望遠鏡任務又邁上了一個新的里程碑。它們是迄今為止發現的最小的系外行星——其中一顆的體積僅為地球的1.03倍，簡直就是地球的翻版。
這些行星雖然不在其恆星的宜居帶內，但它們的大小合適——因此，它們進一步填補了星際行星之謎。
這些行星的排列方式很奇特，它們被夾在三顆氣態巨行星之間，而且都在水星軌道之內。它們被埋沒在近兩年的數據中，天文學家必須運用一些極為精密的計算技術來確認它們確實是行星。
其中一顆行星，開普勒-20f，可能擁有水蒸氣大氣層，儘管天文學家尚不能確定。但他們知道的是，它比我們的地球略大（質量也只略大一些）。
「這是我們在宇宙中觀測到的距離地球最近的天體，」哈佛-史密森天體物理中心的弗朗索瓦·弗雷辛說道，他是關於新世界的論文的主要作者。
這兩顆行星都圍繞著一顆名為開普勒-20的恆星運行，這是一顆G型恆星，溫度略低於太陽，距離地球950光年。 （正如哈佛史密森天文物理中心指出的那樣，太空梭需要3600萬年才能到達開普勒-20。）
弗雷辛在一次訪談中表示，根據這些行星的大小和圍繞恆星的位置，它們的成分可能與地球非常相似。它們靠近開普勒-20星系，因此會受到大量的輻射，而且由於體積太小，無法在恆星風的侵蝕下保留氫和氦等較輕的元素——因此，證據表明它們是岩質行星。問題僅僅在於它們的成分，例如是否含有大量的鐵或矽酸鹽。
他說，這些行星不可能在它們目前的位置形成，一定是向內遷移的。克卜勒-20f早期可能擁有大量水蒸氣的大氣層，這使其至少根據大多數行星宜居性指數來看，是適宜居住的。
弗雷辛說：“如果它確實是從外太陽系遷移過來的，那麼它在早期歷史上可能是適宜居住的。”
這項發現緊接著克卜勒團隊本月初發布的大量數據之後，其中就包括發現首顆圍繞其恆星運行的類地行星——開普勒-22b。這顆行星比地球大得多，但它位於一個適合液態水存在的溫帶區域。不過，它的表面可能並非岩石。這些新發現的行星溫度過高，不適合液態水存在，但它們的岩石結構更接近地球，體積也更小。
弗雷辛說：“我認為開普勒-22b是一方面，開普勒-20e和20f是另一方面，它們是拼圖的兩塊碎片。我們需要將發現一顆位於宜居帶的地球大小行星的發現結合起來。”
克卜勒望遠鏡的設計初衷是觀測天鵝座和天琴座14.4萬顆恆星表面亮度的變化，旨在尋找類似太陽且擁有類地行星的星系。在運行的兩年裡，這項宇宙普查已經發現了超過2000顆行星，包括超級木星、超級地球、漆黑的吸光吸熱行星等等。然而，尋找地球的孿生兄弟卻困難重重。弗雷辛表示，部分原因是標準問題——一顆真正的類地行星需要在大小、位置、成分、自轉以及許多其他方面都與地球相似。以克卜勒-22b為例：它的溫度與地球相近，但它的半徑是地球的2.4倍，因此體積也大得多。
弗雷辛說：「我不認為我們很快就能找到一顆真正意義上的、清晰的地球孿生行星——這其中涉及的層面太多了。或許我們需要的不僅僅是一顆位於宜居帶且大小合適的行星，還需要它與恆星的相似性。如果我們不知道它的大氣層成分，或者對大氣層沒有任何限制，我們又如何能斷定它成為地球的行星？」
這些小型行星實際上是開普勒-20觀測站已發現的太陽系中最新發現的成員。其中三顆最大的行星分別被命名為開普勒-20b、20c和20d，直徑分別為15,000英里、24,600英里和22,000英里，公轉週期分別為3.7天、10.9天和77.6天。根據哈佛史密松天文物理中心（CfA）指出，開普勒-20b的質量是地球的8.7倍，而開普勒-20c的質量是地球的16.1倍。克卜勒-20d的質量不到地球的20倍。
哈佛史密森天文物理中心（CfA）的合著者大衛·沙博諾表示，這些行星排列成一個非常奇特的系統，岩質行星和氣態行星交替出現，這與天文學家以往觀測到的任何現像都截然不同。他向其他天文學家發出挑戰，希望他們能幫他解釋這個現象。
他說：“我班上的大一新生很快就會指出，今天提出的這項發現對我們太陽系形成的模型提出了深刻的挑戰。”
弗雷辛解釋說，由於體積小，它們的伴星很難被觀測到，之前的幾次嘗試都以失敗告終。天文學家曾觀測到一些光點，他們認為這可能是凌日行星掠過開普勒-20表面的現象，但一年前的分析無法排除其他可能的來源。來自太空望遠鏡的更多數據以及弗雷辛及其同事的進一步計算最終促成了這一突破性發現。
當一顆行星凌日時，恆星的亮度會略微降低，而克卜勒望遠鏡正是用來觀測這種現象的。科學家必須排除其他可能的原因，例如背景恆星、褐矮星、食雙星等等。為了確認行星的存在，天文學家會偵測行星引力所引起的恆星輕微擺動。這種擺動可以透過位於夏威夷的巨型凱克望遠鏡在地面上進行驗證。但就目前發現的行星而言，它們體積太小，無法透過地面觀測進行驗證。
弗雷辛使用了一款名為Blender的軟體，這款軟體是他與哈佛-史密森天文物理中心（CfA）的天文學家威利·托雷斯共同開發的（該軟體也曾被用於驗證其他行星的發現，包括開普勒-22b）。弗雷辛和近30位合作者利用Blender運行了數百萬次模擬，最終排除了假定行星之外的任何其他導致天體亮度降低的因素。
這很巧妙，因為當天作家進入行星質量範圍的新領域——那些大小與地球相當或更小的行星——他們需要複雜的分析方法來驗證觀測結果。本文將一種新的計算技術與開普勒望遠鏡之前的恆星擺動檢測方法結合。
這項研究成果於今日發表在《自然》雜誌的線上預售版上。
