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儘管受到老化影響，但美國宇航局的開普勒行星探測望遠鏡仍被證明是近乎取之不盡的發現引擎。該天文臺在2013年 裝置故障 使其行星發現洪流減緩至涓涓細流之前，發現了數千個新世界，但聰明的研究人員已經設法從其大量的檔案資料中挖掘出 卓越的新發現 。昨天宣佈的最新成果是一項技術上的傑作：一個天文學家團隊利用從開普勒四年觀測中獲得的8800萬次測量資料，首次測量了一顆比地球小的行星的重量，發現開普勒-138b的質量大約是火星的三分之二。研究結果發表在 《自然》 雜誌上（《大眾科學》是自然出版集團的一部分）。
“即使是開發開普勒任務的遠見卓識者也從未想到開普勒資料本身會測量像這些行星一樣的質量，”賓夕法尼亞州立大學的天文學家、研究合著者埃裡克·福特說。據同樣來自賓夕法尼亞州立大學的首席作者丹尼爾·瓊托夫-胡特稱，這項壯舉類似於測量1000萬公里以外的高爾夫球的尺寸。
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上面的動畫展示了127顆系外行星的質量和半徑（大小）與我們太陽系中行星的比較，從木星大小的世界尺度緩慢放大，以顯示開普勒-138行星相對於地球、金星、火星和水星的尺寸。每顆系外行星周圍的十字表示與該行星質量和大小相關的不確定性範圍。
開普勒-138b圍繞一顆距離地球約200光年的昏暗紅矮星執行，軌道週期為10天，非常炎熱，伴隨著開普勒-138c和開普勒-138d，這兩顆已知行星略大於地球。所有這三顆行星都離它們的恆星太近，無法被認為是宜居的，都位於我們太陽系中水星軌道以內。從地球上看，每個行星都會“凌星”經過恆星，向我們投下陰影，開普勒將其記錄為星光中微小的下降。這些凌星下降越大，投下陰影的行星就必須越大。
凌星通常只允許天文學家瞭解一個世界的大小，但開普勒-138的凌星行星提供了更多資訊。它們是緊密的三重星系統，軌道非常接近，以至於每個行星的引力都會顯著地、週期性地影響其他行星的運動。這種引力的潮起潮落改變了每個行星凌星的時間，使它們像晚點的火車一樣提前或延遲到達。透過分析所有三顆行星的“凌星時間變化”，該團隊瞭解了每個行星受到擾動的強度，從而估算出每個行星的質量。
為了體會這些測量的難度，請考慮這個由SETI研究所的研究合著者傑森·羅威提供的說明性類比：想象一下帝國大廈，所有的窗戶都亮著燈，所有的窗簾都拉開著。僅僅探測到開普勒-138b、c和d就相當於從大約100公里外看到整個大樓的三個窗簾部分放下。現在想象一下，每個放下的窗簾都會稍微改變其他窗簾的時間，而且這三個窗簾每月最多隻放下幾分鐘或幾小時。簡而言之，這就是為什麼測量開普勒-138行星的質量需要四年觀測的原因。
所有的辛勤工作都帶來了巨大的回報。找到行星的大小和質量，您就可以推測其密度和組成，從而瞭解該世界的真實物質。近年來，開普勒和其他專案表明，大多數擁有行星的恆星都蘊藏著奇怪的世界，它們的重量超過地球，但小於海王星。我們自己的太陽系中不存在這樣的行星——這些世界對我們來說在各個方面都是陌生的。充滿希望的天文學家將這些行星稱為“超級地球”，想象它們是我們地球的更大版本，但少數幾個密度經過測量的行星被證明更像是“迷你海王星”，比任何岩石世界都更輕、更蓬鬆。為什麼以及如何存在如此豐富的這種未預測的行星種群已成為困擾行星獵人的核心問題，特別是那些尋找其他地球的人。
系外行星“似乎呈現出一種永無止境的挫敗期望的能力”，加州大學聖克魯茲分校的天體物理學家格雷格·勞克林說，他撰寫了一篇 評論 來配合開普勒-138的研究。“越來越清楚的是，超級地球既不是超級的，也不是地球，我認為基本上同樣的混淆趨勢將適用於實際的地球質量行星。”
至少，開普勒-138b看起來相對熟悉。其估計密度與火星相似——大約是一個小型、岩石為主的世界所預期的。恆星外側的下一顆行星，即大約地球大小的開普勒-138c，更重但也同樣熟悉：密度與地球相似，它很可能具有金屬和岩石的混合成分，就像我們自己的行星一樣。但最外層已知的行星開普勒-138d的密度不到一半，表明這是一個充滿大量水和氣體的非地球世界。它只是在遵循許多其他所謂的超級地球的異類原型方面才顯得熟悉。開普勒-138d富含精細、易揮發的元素，這些元素往往不會在靠近恆星的酷熱溫度中停留，它可能形成於更遠的寒冷地帶，然後螺旋下降到目前溫暖的位置。
羅威說，所有這些多樣性意味著“我們不能僅根據大小來推斷行星的整體物理性質”，特別是當行星的大小接近地球時。在行星探測望遠鏡的探測器中，看起來像地球般的陰影斑點，經過進一步調查，可能會證明它是一個地球大小的鐵球，或者是一個主要由冰或氣體組成的世界。只有透過測量大量地球大小和更小行星的密度，天文學家才能希望瞭解像我們這樣的岩石世界出現的頻率，以及岩石行星和氣態行星之間轉變的確切位置。
用於精確執行此操作的工具很快就會到位。開普勒的兩個後繼者——美國宇航局的TESS任務和歐空局的PLATO任務——將在未來幾年發射。每個任務都將在太陽最近、最亮的鄰近恆星周圍搜尋凌星世界，為其他設施（如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡）提供大量小型、潛在的岩石行星，以便進行更詳細的檢查。不久之後，天文學家將把許多世界的重量放在心上——也許也會放在肩上，如果行星再次未能符合他們的模型的話。