我们的银河系中充满了行星。在过去的 25 年里，天文学家已经记录了大约 2,000 个行星，它们分布在我们恒星周围的 1,300 个系统中。虽然这些系外行星中的大多数看起来都不像地球（在某些情况下，不像绕太阳运行的行星），但外星世界的丰富资源意味着一个诱人的可能性：那里有很多适合生命生存的地方。
我们还没有探索过太阳系的每个角落。生命可能潜伏在一些冰冷卫星的表面之下，或者火星的土壤中。对于这样的地方，我们可以去探访并寻找任何蠕动或复制的东西。但我们目前还不能前往数十光年之外的遥远恒星系。先进的外星文明可能会发射可探测的无线电信号，但原始生命无法向宇宙宣告自己的存在。
至少不是故意的。
特别报道：
寻找外星人
自中世纪以来，人们就开始思考外星生命存在的可能性。我们至今仍在寻找答案。外星人长什么样？我们应该去哪里寻找他们？我们为什么如此痴迷？科学新闻作家们在这篇特别报道中探讨了这些问题及更多问题。
在地球上，生命改变了大气层。如果没有植物和生物不断产生氧气和甲烷，这些气体很快就会消失。水、二氧化碳、甲烷、氧气和臭氧都是“生物特征”的例子，它们是我们所知的充满生命的星球的关键标志。抛开关于外星生命有多容易辨认的问题，在系外行星的大气层中探测到生物特征将为天文学家提供第一个强有力的线索，证明我们并不孤单。
生物特征并不能证明生态系统繁荣。行星太阳发出的紫外线可以摧毁水分子并产生氧气储备；海水通过岩石过滤可以产生甲烷。苏格兰圣安德鲁斯大学的天体物理学家 Sarah Rugheimer 说：“我们永远无法 100% 地说一颗行星上有生命。”但天文学家希望，只要有足够的关于系外行星及其所绕行恒星的信息，他们就可以证明，在太阳光和地质学不足以解释其化学性质的世界中，生命是可行的。找到一颗与地球相似的行星可能还需要几十年的时间，但多亏了几台即将投入使用的望远镜，天文学家可能即将发现附近恒星周围的宜居世界。
美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星，或苔丝将于 2017 年发射，旨在探测围绕离我们最近的恒星运行的许多系外行星。一年后，詹姆斯韦伯太空望远镜将发射并窥视这些新发现的大气层。TESS 和詹姆斯·韦伯太空望远镜将结合它们的能力，识别出附近适合生命存在的行星。这些星球可能与地球截然不同——它们会更大一些，围绕着暗淡的红色太阳运行——但一些研究人员希望其中一些星球能提供外星生物的线索。
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仰望天空
未来十年，将有数台望远镜与现有的天文台一起寻找系外行星和外星生命的迹象。
系外行星不会轻易泄露自己的秘密；它们距离遥远、体积微小，紧贴着炽热的恒星。除了一些例外，目前的望远镜无法直接看到系外行星，因此天文学家使用其他方法来推断它们的存在。在极少数情况下，遥远的太阳系会以行星从其太阳和地球之间经过的方式运行，这种现象被称为凌日。在凌日期间，恒星会暂时变暗，因为行星会遮挡其部分光线。
凌日现象是一种强大的工具；它不仅可以帮助揭示行星的密度（一种区分气态行星和固体行星的方法），还可以让天文学家清点系外行星大气中漂浮的分子。凌日期间，行星大气中的分子会吸收恒星光的某些波长，留下化学指纹。通过破译该指纹，研究人员可以推断出外星世界的化学组成。
推动哈勃望远镜
到目前为止，天文学家主要使用哈勃太空望远镜等太空望远镜进行凌日技术研究了 50 多颗系外行星的大气层，其中大多数行星的大小与木星和海王星相当（SN：11/15/14，第 4 页）。巨行星的蓬松大气层比小型岩石星球相对稀薄的大气层更容易探测。随着工具的改进，研究人员开始研究超级地球，即比海王星小但比我们的行星大的行星。虽然我们的太阳系中不存在这样的行星，但它们似乎是银河系中最常见的类型之一。
到目前为止，只有三颗超级地球受到望远镜的观测：GJ 1214b、HD 97658b 和 55 Cancri e。这些星球与地球完全不同。其中两颗围绕着昏暗的红色太阳运行，它们都在几天（甚至几小时）内绕恒星旋转，而且没有一颗位于令人垂涎的宜居带——恒星周围行星温度恰好适合液态水存在的区域。GJ1214b和 HD 97658b 上，天文学家没有发现分子吸收星光的迹象，这让研究人员得出结论，这两个星球都被云层或雾霾覆盖（SN 在线：1/2/14）。
今年 2 月，研究人员报告称，55 巨蟹座 e 行星上存在氢氰酸的迹象。如果得到证实，这将是首次在超级地球大气中发现任何分子。“这些测量非常具有挑战性，已经达到了 [哈勃太空望远镜] 能力的极限，”警告说希瑟·克努森加州理工学院天体物理学家。“我们仍在了解这种精度水平的望远镜的性能。”
天文学家无疑会试图从类似的世界中榨取更多信息。但是，凯文·弗朗斯科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家说：“我们已经把哈勃望远镜推到了极限。”而哈勃望远镜不会永远存在（SN：4/18/15，第 18 页）为了继续探测系外行星的大气层，研究人员正在将目光投向哈勃的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜。
詹姆斯·韦伯“将成为天文学的一场革命”，乔纳森·卢宁，康奈尔大学天体物理学家。这台红外天文台的镜面宽度是哈勃望远镜的 2.7 倍。詹姆斯·韦伯将寻找第一代恒星，追踪星系的生长方式，并探索行星大气层——这与寻找生命最为相关。
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在星光下搜寻
另一个太阳系中行星的大气层可以在其太阳发出的光线上留下化学指纹，这可能揭示出外星生物活动的迹象。
分析海王星和木星大小的行星的大气层对詹姆斯·韦伯来说应该是小菜一碟。这些大行星阻挡的光线足以使凌日现象易于探测，而蓬松的大气层更容易测量。超级地球体积较小，大气层稀薄，更具挑战性，但詹姆斯·韦伯应该能够调查其中几个。尽管地球的复制品甚至超出了詹姆斯·韦伯的能力，但天文台还有很多事情要做。“即使我们无法在地球大小的行星上获得生物特征，我们也将发现很多有关系外行星性质的信息，”鲁尼恩说。“它将打开大量的大门。”
类似地球的行星的问题在于它不经常发生凌日现象，而且行星和大气层都很小。这与外星人在试图探测我们时遇到的问题是一样的。从远处看，地球阻挡了不到 0.01% 的太阳光，其中只有几个百分点是由于大气层。对外星天文学家来说，地球每年穿过太阳一次，最多持续 13 个小时。这是假设外星人生活在银河系的正确位置，可以目睹地球凌日。银河系大部分居民操作的望远镜永远不会与太阳和地球对齐。
关注M型矮星
如果天文学家将精力集中在占银河系恒星四分之三的 M 型矮星上，发现生命的几率就会提高。这些暗红色的球体很小，因此凌日行星会遮挡住恒星的大部分光线，使凌日现象更容易被发现。宜居星球的凌日现象也更频繁。为了维持液态水，行星必须靠近这些凉爽恒星之一以保持温暖。M 型矮星宜居带的轨道比绕太阳的轨道短得多。天文学家可能只需等待几周或几个月，而不是等待一年才能看到凌日现象。此外，在舒适轨道上运行的行星在获得恰到好处的观测几何条件以观看凌日现象方面更为宽容。
没有理由说围绕 M 星运行的行星不能像地球一样。
——丽莎·卡尔滕格
M 型矮星也存在一些潜在的缺点。它们辐射的大部分光线都是红外线，因此轨道行星的光合作用与地球的光合作用截然不同。无法保证以红外线为生的植物的生物特征与当地植物的生物特征有任何相似之处。许多 M 型矮星还会偶尔发出紫外线辐射——由于任何宜居行星都靠近恒星，因此这种辐射更加危险。事实上，宜居行星需要非常靠近恒星，以至于恒星的引力可能会阻止行星旋转，从而导致白天和夜晚的极端气候差异。不过，最近的研究表明，这些问题都不一定是决定性因素（SN：2/7/15，第 7 页）“没有理由说围绕 M 星的行星不能像地球一样，”丽莎·卡尔特内格，康奈尔大学的天体物理学家。
詹姆斯·韦伯望远镜应该能够探测到 M 型矮星周围一些宜居超级地球的大气层，但它首先需要确定一些目标（SN：5/17/14，第 6 页）美国宇航局的首要行星猎人，开普勒太空望远镜，（SN：12/27/14，第 20 页) 在其为期四年的主要任务中发现了 1,039 颗系外行星，另有 4,706 颗候选行星等待确认。但开普勒发现的大多数行星对詹姆斯·韦伯太空望远镜来说都太遥远了。这就是 TESS 的作用所在。它将记录所有围绕太阳近邻的短周期凌日行星。“这些是几十年后天文学家想要关注的行星，”麻省理工学院天体物理学家、TESS 任务首席研究员乔治·瑞克 (George Ricker) 说。
与开普勒望远镜在同一方向上观测 15 万颗恒星不同，TESS 将用两年时间监测整个天空中的 20 万颗恒星。为了覆盖这么大的区域，TESS 将在一个地点观测约 27 天，然后再转移到新的区域。这对于在长达一年的轨道上寻找地球双胞胎来说并不好，但对于寻找 M 型矮星宜居带中的行星来说却很有用。
根据开普勒的结果，天体物理学家彼得·沙利文当时在麻省理工学院的他和同事在 2015 年计算出TESS 应能发现约 1,700 颗系外行星。其中，超过 500 个可能小于地球的两倍，其中约 50 个位于其主恒星的宜居带。但从这些大气中挑选出生物特征或任何特征将会很困难。估计各不相同，但詹姆斯·韦伯需要大约 200 小时来研究附近 M 矮星周围的一颗超级地球，而且这些时间只在行星经过其恒星前方时才计算。
加州理工学院的克努森说，目前正在就追逐这一梦想的难度展开争论。鉴于进展缓慢，詹姆斯·韦伯可能只能看到几个可居住的超级地球。天文学家可以把大量时间花在一两个可能根本不会成功的系统上。或者他们可以将望远镜资源集中在海王星、木星或热超级地球上，研究人员可以在那里收集有关各种星球的大量其他数据。虽然詹姆斯·韦伯可能会幸运地发现一些生物特征，但找到另一颗像地球一样的行星的梦想可能要等几十年，才能等到更大的天文台出现。
拍照
凌日技术虽然有效但效率低下。从我们的角度来看，大多数行星都不会凌日，即使会凌日的行星，每公转一周也只会凌日一次。
“为了真正让我们有最大的概率发现生命，我们需要建造一个可以直接探测的望远镜，”鲁格海默说。直接探测需要拍摄一颗系外行星的照片，并寻找印在行星表面反射光上的氧气和甲烷等生物特征。由于这项技术不需要行星和太阳之间的排列，原则上它可以适用于任何恒星周围的任何世界。但要捕捉到地球 2.0，天文学家将需要更大的望远镜。
再想想那些正在寻找我们的外星人。即使他们在 4.2 光年外的隔壁恒星比邻星（顺便说一下，这是一颗 M 型矮星）上安营扎寨，他们也很难看到地球。这就像站在距离我们约 7,500 公里的地方试图看到篮球右侧 28 米处的缝纫针头——大约是檀香山到匹兹堡的距离。而篮球的亮度是缝纫针的 100 亿倍。
目前还没有天文台能够拍摄到围绕类日恒星运转的类地行星的图像。但天文学家正在思考如何才能做到这一点。一个想法是将一面巨大的镜子放置在太空中，并配备一个可以阻挡恒星光线的装置，比如高清太空望远镜由大学天文学研究协会提出。要看到几十颗地球双胞胎并描述它们的大气层，该望远镜需要一面直径 12 米的镜子。这比目前地面上的任何光学望远镜都要大，其光收集面积是哈勃的 25 倍。
鲁尼恩说，这样的天文台“与我们以前在太空中所做的相比，将是一项巨大的工程。但与这个国家开展的其他项目相比，它并不大。”
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巨型镜子
寻找类地系外行星上的生物特征需要巨大的望远镜镜面。拟议中的高清太空望远镜 HDST 可以监视数十个复制的地球；其镜面直径超过了世界上最大的光学望远镜之一凯克望远镜的 10 米直径。哈勃的继任者詹姆斯·韦伯可能能够在几颗比地球稍大的行星上寻找生命。
资料来源：天文学研究大学协会
日冕仪是高清望远镜成功的关键之一，日冕仪是一种可以阻挡望远镜指向的任何恒星发出的光线的圆盘。许多望远镜已经使用日冕仪，尤其是用于观测太阳的航天器。詹姆斯·韦伯望远镜将配备日冕仪，但不是用于搜寻其他地球的日冕仪。
日冕仪的缺点是它需要对进入望远镜的光线进行特殊控制，这使设计变得复杂。其他探测类地行星的提议，如 NASA 委托的 Exo-S 概念，使用遮星罩，这是一种单独的航天器，形状恰如向日葵的花瓣。遮星罩飞行距离望远镜数万公里，保持完美对准，以防止星光照射到镜子上（SN：7/12/14，第 11 页）。
由于遮星罩可以自由漂浮并完成所有光线抑制工作，它应该能够与任何望远镜配合使用，即使是已经在使用的相对较小的望远镜。但没有人尝试过这种规模的太空编队飞行。每当天文学家想要观察一颗新恒星时，遮星罩都必须绕着望远镜移动以保持对准，这可能需要几天或几周的时间。所有这些移动都需要燃料，这限制了天文学家可以搜索的恒星数量。
如今，这些任务和其他类似任务仅存在于网上发布的论文和 PowerPoint 幻灯片中。这些概念是全社会就如何在 2030 年代及以后分配资金进行头脑风暴会议的成果，将需要大量的财政和后勤资源，但一些天文学家认为，一旦 TESS 和詹姆斯·韦伯能够指出最近的宜居地点，这一切都是值得的。“一旦我们知道天空中潜在的宜居星球在哪里，我希望这会改变很多人的好奇心，”卡尔滕内格说。“我想知道是否还有其他宜居星球。我不想只是猜测。”
每个人都同意，在银河系其他地方找到一个充满生命的世界将异常困难。“也许大自然需要站在我们这边，”马克·克兰平，美国宇航局马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的天体物理学家。“但这不会阻止人们努力尝试。我们可能会在此过程中获得很多发现。”
本文刊登于 2016 年 4 月 30 日的科学新闻标题为“观察系外行星：寻找生命迹象很难，但新的望远镜很快就会开始搜寻。”
