世界没有尽头

我你可能会觉得奇怪，但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。望远镜让我们瞥见了与我们以前所见不同的地方，并把我们带到了看起来不可思议的奇异之处。但是这些遥远的世界和地球上的任何东西一样真实。望远镜收集到的光也将我们传送到过去的数百万甚至数十亿年。在我想用望远镜带我去的宇宙中所有迷人的地方中，恒星中新发现的世界是我的首选。到另一个世界旅行，不仅仅是到另一个国家或另一个大陆，而是到一个全新的世界，这是一次奇妙的冒险。如果我们人类不是宇宙中唯一的人，那么这些星球，那些行星和卫星，很可能就是生命被发现的地方，不管它与我们所知道的地球上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线。我们需要“更大的眼睛”：双筒望远镜，或者更好的，望远镜。当我们用双筒望远镜观察时，我们可以看到离太阳第八也是最远的行星。用一个4到6英寸的望远镜，你甚至可以在一个美好的夜晚看到它的颜色，一个蓝色的色调围绕着它的圆盘。每隔几地球年，地球表面就会形成一场与地球大小相同的风暴，并将其改造为一个巨大的黑点。虽然海王星有暴风雨，但它也是太阳系中最冷的地方之一，温度降到55开尔文左右(−华氏360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。

望远镜与古代探险家用来发现新大陆的望远镜一样，都是探险的工具。

在我们离开太阳系之前，让我们调整一下视角。如果我们把太阳缩小到一颗小糖粒的大小，那么从海王星到所有的行星都相当于一块奥利奥饼干的大小。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!光大约需要4年才能走完这段距离，而从太阳到地球只需要8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年使用这种所谓的运输方法发现的。这是一颗大约与木星大小的炽热巨行星，每3.5天围绕其恒星运行一次，这颗恒星发出的光仅减少约2%。这种快速轨道意味着它和51颗Pegasi b一样，非常接近它的恒星：大约是地球和太阳之间距离的4.5%。这也使得它更容易被看到，因为我们不需要等待很长时间就能注意到周期性变暗，而且因为系外行星越大，它阻挡的光线就越多（这就是为什么我们首先发现大行星的原因）。相比之下，地球使太阳光变暗的程度仅为0.01%。一个外星文明需要一个更大的望远镜才能以这种方式观察我们，或者需要使用太空望远镜来避免大气扭曲。

现在我们参观了两个气体巨人。但我们真正感兴趣的是岩石行星，因为它们更有可能承载生命。要访问第一颗被探测到的岩石系外行星CoRoT-7b，我们需要旅行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，因此很容易找到它的凌日。事实上，它是如此接近，因此如此炎热，它可能有河流的熔岩流在其表面。它只需要20多个小时就可以环绕太阳运行，而太阳在它的天空中看起来要比我们的太阳在我们的天空中大几百倍。

像科罗-7b（以及其他类似的行星，包括开普勒-10b和55坎克里e）这样的行星仍然太热，无法维持我们所知道的生命，其表面温度会融化岩石。我们真正感兴趣的是更凉爽、更好客的行星。为了达到这些目标，我们必须观察更长的时间。地球一年只绕太阳一次，不是每20小时一次。因此，外星天文学家需要观察我们几年，才能捕捉到至少三次凌日——第一次是说那里有什么东西，第二次是确认该物体正在围绕恒星运行，第三次是确认轨道预测，并揭示是否有其他行星或卫星在拖拽该行星。如果恒星较小，则行星需要更近才能获得相同的辐射，因此其轨道运行得更快。这就是为什么我们发现的第一颗可能是岩石的冷行星围绕冷红星（如格利泽581d、开普勒62e和开普勒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。

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。

开普勒让我们更接近更小、更凉爽、更有趣的行星（就生命而言），岩石行星，半径小于地球的两倍。我们对行星特别感兴趣，因为它们离恒星的距离使其表面有液态水。这些行星位于一个称为可居住区的区域。可居住区的范围（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，还受地球化学循环的控制，该循环调节行星大气中的二氧化碳水平。地球的版本是碳酸盐-硅酸盐循环。这种循环使整个可居住区的温度保持在零度以上，必要时增加或减少温室气体浓度以保持温度一致，就像在篝火旁穿上或脱下毛衣一样。

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!

开普勒只是我们的开始。美国宇航局刚刚选定于2017年发射过境系外行星调查卫星（TESS）。苔丝在某种程度上是一个“全天”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的凌日系外行星，而不是一个狭窄的区域。苔丝将在头两年扫描整个天空，一年扫描北部天空，另一年扫描南部天空。它将把我们带到太阳系附近的行星上，而不是几千光年之外。这些行星之所以明亮，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，我们将能够检查他们的大气层。

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。

隐藏在这些大气信号中的可能是生命吸气和呼气的迹象。对于一个从远处观察地球的外星人来说，这个泄露信息的光谱指纹可能是氧(或臭氧)和水的组合，臭氧是一种与氧(如甲烷或其他还原性气体)发生反应的气体。因此，我们在其他行星上寻找同样的特征。还原气体的存在会让我们相信，我们观察到的氧气并不是因为没有什么东西可以发生反应而停留在周围。如果氧气和还原性气体发生反应，那么某种东西(希望是生命!)必须不断地大量生产氧气来补充氧气。我们还没有找到一种方法让地质作用产生这种作用。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。

这就是我们可能要面对的。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10个仪器，这在当时是突破性的。旅行者号的两个任务发现了22颗新卫星、天王星和海王星的磁层、木卫一上活跃的火山活动、木星环和海王星上的大规模风暴。每次航行者任务都携带着一张镀金的视听留声机唱片，其中包括地球的照片、海浪拍打海岸的声音以及盲人威利·约翰逊的声音。

但是，也许最值得注意的是，在1990年，旅行者号完成了描绘外太阳系特征的任务后，转过身来，拍了一张令人惊叹的地球照片。我们第一次瞥见了我们——或者另一个地球——在数十亿英里之外是什么样子:一个淡蓝色的点，悬浮在太空中，看起来很小，不知怎么地迷失在浩瀚的周围环境中。然而，地球是生命形式的家园，令人难以置信的多样性，其中一些人仰望星空，想知道是否有生命存在于任何其他行星上。直到今天，旅行者号拍摄的地球照片仍然是地球上最远的照片。

我们现在知道，地球只是我们银河系数十亿行星中的一个。当我们在宜居区发现更多岩石行星，并建造更强大的望远镜来读取它们的光谱指纹时，我们发现自己正处在一个真正重要的边缘：找到另一个淡蓝色的点。

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。