无穷无尽的世界

我对你来说，这可能听起来很奇怪，但望远镜与古代探险家用来发现新大陆的望远镜一样，都是一种探险工具。望远镜让我们瞥见了一些我们从未见过的地方，并带我们去了一些看似不可思议的奇异地方。但这些遥远的世界和地球上的一切一样真实。望远镜所收集的光线也能让我们穿越时间，穿越数百万年甚至数十亿年的过去。在宇宙中所有我想用望远镜带我去的迷人地方中，新发现的星球是我最想去的地方。到另一个世界旅行——不仅仅是另一个国家或另一个大陆，而是到一个全新的世界——是一场令人惊叹的冒险。如果我们人类在宇宙中不是孤独的，那么这些世界——那些行星和卫星——很可能是发现生命的地方，不管它与我们在地球上所知道的任何东西是相似的，还是非常不同的。

最简单的天文仪器是人眼，它足以看到我们邻近的行星。当你在黑暗的地方仰望夜空时，你会看到至少5000个亮点，有些夜晚甚至更多。这些是恒星或其他太阳，它们离我们实在太远了，无法像我们看到自己的太阳一样，将它们视为天空中的圆盘。但在这数千盏明亮的灯中，也有一些行星，它们的亮点在夜间快速移动。金星是夜空中最亮的，而且大部分时间离地球最近。金星与地球非常相似，约占地球质量的80%，直径的95%。金星也可能曾经有过和地球一样的海洋。但如果真是这样，这片海洋就消失在太空中了。它的水被不断增加的表面热量蒸发，一路输送到大气层的顶部，并被辐射分解成氢气和氧气，氢气逃逸到太空中。今天金星的表面温度是温和的863华氏度，它的大气中有96%的二氧化碳，它被腐蚀性的硫酸云所笼罩，使我们无法在可见光下看到它的表面。但这些反射云也使金星非常明亮。它是如此明亮，古代文化称它为晨星或晚星，尽管它决不是一颗星星。

要想看到太阳系中最暗的行星——海王星，你需要捕捉到比肉眼更多的光。我们需要“更大的眼睛”:双筒望远镜，或者更好的是望远镜。当我们通过双筒望远镜时，我们可以看到第八颗也是距离太阳最远的行星。用4到6英寸的望远镜你甚至可以在晴朗的夜晚看到它的颜色，它的圆盘周围是蓝色的。在它的表面，一场地球大小的风暴每隔几个地球年就会形成和改变一次，并以一个巨大的黑点的形式出现。虽然海王星有暴风雨，但它也是太阳系中最冷的地方之一，温度低至55开尔文(−360华氏度)。2013年7月15日，哈勃太空望远镜刚刚发现了它的第14颗卫星。

望远镜和古代探险家用来发现新大陆的望远镜一样，都是一种探索的工具。

在我们离开太阳系之前，让我们调整一下我们的视角。如果我们把太阳缩小到一个小糖粒大小，那么海王星以外的所有行星都适合奥利奥饼干大小。现在把饼干拿在手里，寻找你周围的下一颗星星。大约有两个足球场远！光需要大约四年的时间才能到达那个距离，而从太阳到我们这里只需要八分钟。¹

我们如何看到如此遥远的行星？如果我们知道要寻找什么，简陋的望远镜可以把我们带到那里。1995年，我们发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的巨型气体系外行星。这项观测是基于探测工作的基础上进行的，这些工作是寻找围绕恒星运行的看不见的行星引起的恒星微小摆动。第一颗行星，我们称之为51 Pegasi b（见系外行星地图），距离地球约50光年。你可以用肉眼看到它的主星。它只在四个地球日内绕太阳运行。这意味着它离太阳很近，表面温度被认为是1300开尔文。由于它离太阳很近，其大小和组成主要由氦和氢组成——我们称这种行星为“热木星”。瑞士天文学家在法国上普罗旺斯天文台使用2米望远镜发现了它，以及一种能够测量恒星非常精确的光谱指纹的仪器（埃洛迪光谱仪）。这颗恒星的抖动转化为光谱抖动，由仪器检测到。

现在让我们看看另一个气体行星，叫做HD 209458b。这颗行星与飞马座51号b并没有太大的不同，只是离我们稍远一点(大约150光年)。但这很重要，因为我们发现它的方式。我们不是在寻找它恒星的摆动，而是在寻找它的影子。如果我们用18到40厘米(7到16英寸)小的望远镜盯着天空中数十亿个光点中最亮的那一个，我们偶尔可以探测到轻微的周期性变暗。当一颗行星从我们的视线穿过它所环绕的恒星时，严格地说，是偶然的几何排列导致了这一结果。这暂时或部分地挡住了我们对那颗恒星的视线。

HD 209458b是1999年通过所谓的凌日法发现的。它是一颗温度很高的巨行星，大小和木星差不多，每3.5天绕其恒星公转一圈，这颗恒星发出的光只减少了约2%。这种快速的轨道意味着，它就像飞马座51号b一样，非常接近它的恒星:大约是地球到太阳距离的4.5%。这也让我们更容易看到，因为我们不需要等很长时间就能注意到周期性变暗，而且系外行星越大，它阻挡的光就越多(这就是为什么我们首先发现了大行星)。相比之下，地球只使太阳光线变暗0.01%。外星文明需要更大的望远镜才能看到我们，或者需要使用太空望远镜来避免大气变形。

现在我们已经参观了两个气体巨星。但我们真正感兴趣的是岩态行星，因为它们更有可能存在生命。要访问第一颗被发现的岩石系外行星CoRoT-7b，我们需要走500光年。它是用直径27厘米(10.5英寸)的望远镜在环绕地球的轨道上发现的。CoRoT-7b离它的恒星也很近，所以很容易发现它的凌日现象。事实上，它离地球很近，因此也很热，它的表面可能有熔岩流在流动。它只需要20个多小时就能绕着它的太阳转一圈，而它的太阳在天空中看起来比我们的太阳大几百倍。

像CoRoT-7b这样的行星(以及其他类似的行星，包括Kepler-10b和55 Cancri e)仍然太热，无法支持我们所知的生命，其表面温度会融化岩石。我们真正感兴趣的是更冷、更宜居的行星。为了得到这些，我们需要观察更长的时间。地球一年只经过一次太阳，不是每20小时一次。外星天文学家需要观察我们几年来捕获至少三个通过第一个说有东西,第二个确认对象轨道是一个明星,和第三个证实的轨道预测和揭示其他行星或卫星是否地球上拉。如果恒星更小，那么行星需要靠得更近才能得到同样的辐射，从而运行得更快。这就是为什么我们发现的第一颗冷的、可能是岩石的行星围绕着冷的红色恒星(比如Gliese 581 d、Kepler-62e和Kepler-62f)运行。

为了寻找更凉爽的行星（字面意思），让我们放弃我们的地球望远镜，换一个更漂亮的。开普勒望远镜是一种特殊设计的望远镜，具有非常大的视场：105平方度，相当于你手臂的距离。开普勒有一种隧道视觉。在整个任务中，它都盯着同一个星场，持续同时监测大约15万颗恒星的亮度。它的直径也很大，为0.95米。这降低了光子计数中固有的噪声，并允许它测量地球大小的过境行星亮度的微小变化。

一个外星天文学家需要观察我们好几年才能捕捉到至少三次凌日现象。

开普勒让我们能够靠近更小、更冷、(就生命而言)更有趣的行星，这些行星多岩石，半径小于地球的两倍。我们特别感兴趣的是那些与恒星的距离允许表面有液态水的行星。这样的行星位于一个叫做宜居带的区域。可居住带的范围(以及它所包含的行星的温度)不仅受星光(不能太亮或太暗)的控制，还受控制行星大气中二氧化碳水平的地球化学循环的控制。地球上的版本是碳酸盐硅酸盐循环。这样的循环使整个宜居区域的温度保持在冰点以上，在必要时增加或降低温室气体浓度，以保持温度一致，就像在篝火旁穿上或脱掉一件毛衣一样。

开普勒最近发现了最初的两颗岩质凌日行星——一颗比地球大40%，另一颗比地球大60%——它们都在可居住带内。这两颗行星都在开普勒-62星系中，距离我们大约1200光年，其中至少还有三颗行星，都离恒星更近。但我们不一定要走这么远才能看到一颗有趣的行星。这个巨大的距离是一个更普通的原因造成的，那就是开普勒是一个统计任务，需要仔细检查天空中有很多恒星的部分，以收集足够的数据。这反过来要求它观察天空中遥远的部分，在给定的视野中，这些部分包含更多的恒星。即使以光速，1200光年也相当远。如果查理曼乘坐一艘光速的船离开，他现在就会到达那里!

开普勒对我们来说只是一个开始。美国宇航局刚刚选择在2017年发射凌日系外行星勘测卫星(TESS)。TESS在某种程度上是一个“全天候”的开普勒。它在整个天空中寻找距离最近、最亮的恒星周围的小型凌日系外行星，而不是挑出一个狭窄的区域。TESS将在头两年扫描整个天空，一年扫描北方天空，另一年扫描南方天空。它将带我们去太阳系附近的行星，而不是数千光年之外的行星。这些行星会很亮，要么是因为它们离得太近，要么是因为它们的恒星很亮。这意味着，一旦我们建造了下一代望远镜，我们就能观测到它们的大气层。

近距离观察系外行星的大气层是一个令人兴奋的前景。当一颗凌日行星挡住了我们的视线时，这颗恒星的部分光线就会被行星的大气层过滤掉。这就产生了特征吸收光谱。我们测量的光显示了缺失的能量块，这些能量块被用来激发行星大气中的原子和分子。目前最大的望远镜，比如夏威夷的凯克望远镜和直径2.4米的哈勃望远镜，已经可以利用这种光谱来探测热木星大气中的一些气体。为了对小的、多岩石的、类地行星进行类似的观测，我们需要更大的望远镜，比如将在哈勃之后安装的6.5米长的詹姆斯·韦伯太空望远镜，或者将在2025年投入使用的具有20米到40米镜面的新型大型地面望远镜。

在这些大气信号中可能隐藏着生命呼吸的迹象。对于一个从远处观察地球的外星人来说，这个光谱指纹可能是氧（或臭氧）、一种与氧反应的气体（如甲烷或任何其他还原性气体）和水的组合。因此，我们在其他行星上寻找相同的特征。还原性气体的存在会使我们相信，我们观察到的氧气并不仅仅是停留在周围，因为它没有任何反应。如果氧气与还原性气体发生反应，那么某些东西（希望是生命！）必须持续大量地产生氧气来补充氧气。我们还没有找到一种方法让地质过程做到这一点。因此，这三种气体——氧气、臭氧和一种还原性气体——的结合成为生命的迹象。

一旦我们知道一颗行星的大气层是由什么组成的，它旋转的速度有多快，我们就可以考虑它的天气模式，甚至它表面的环境可能是什么。巨大的、爆炸性的火山将二氧化硫喷到其他星球的同温层是可以探测到的，这使我们能够研究它们的地质历史，并将其与地球进行比较。换句话说，我们可以开始做比较行星学。根据我们自己的地质记录，地球不断变化的光谱指纹可以让我们洞察几光年之外的世界正在发生什么。

隐藏在这些大气信号中的可能是生命吸气和呼气的迹象。

这就是我们可能为我们准备的东西。但当我们展望未来时，我们想起了我们最大胆的行星探测器。旅行者1号于1977年9月开始了它的旅程，携带了十种当时是突破性的仪器。两次旅行者号任务发现了22颗新卫星，天王星和海王星磁层，木卫一上的活跃火山活动，木星环，以及海王星上的大规模风暴。每个旅行者号任务都携带一张镀金的视听留声机唱片，包括地球的照片、海浪拍岸的声音和失明的威利·约翰逊。

但是，也许最引人注目的是，在1990年，旅行者号完成了表征外太阳系的任务后，它转过身，拍摄了一张令人惊叹的地球照片。我们第一次瞥见了我们或另一个地球在数十亿英里之外的样子：一个浅蓝色的圆点，悬浮在太空中，看起来很小，不知何故迷失在浩瀚的环境中。然而，地球上有着令人难以置信的多样性的生命形式，其中一些人仰望着恒星，想知道是否有生命存在于其他行星上。时至今日，旅行者号拍摄的地球照片仍然是迄今为止拍摄的地球上最遥远的照片。

我们现在知道，地球只是银河系中数十亿行星中的一颗。随着我们在宜居带发现更多岩石行星，并建造更强大的望远镜来读取它们的光谱指纹，我们发现自己即将迎来一件真正重大的事情:发现另一个淡蓝色的小点。

Lisa Kaltenegger是马克斯·普朗克天文研究所的研究小组组长，也是哈佛-史密森天体物理中心的研究员。