任何当时在场的人，从经验最丰富的天体物理学家到最没有经验的科学记者，都不太可能忘记1996年1月在德克萨斯州圣安东尼奥举行的美国天文学会冬季会议上的新闻发布会。正是在那里，当时在旧金山州立大学的观测员杰弗里·W·马西宣布，他和他的观测伙伴，当时在加州大学伯克利分校的R·保罗·巴特勒，发现了有史以来第二颗和第三颗绕类太阳恒星运行的行星。第一颗这样的行星，飞马座51b，是日内瓦大学的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹在几个月前宣布的——但单次探测可能只是侥幸，甚至是错误。现在马西能够自信地说，事实并非如此。“行星，”他告诉人群，“毕竟并不罕见。”
这一宣布震撼了天文学界。几乎没有人一直在寻找行星，因为科学家们确信行星太难找到了。现在，在仅仅搜索了少数恒星之后，天文学家们就发现了三个世界，表明还有数十亿个世界等待被发现。
如果巴特勒和马西仅仅解决了行星形成理论上的一个问题，他们的发现就不会如此轰动。但它明确地表明，所谓的太阳系外行星确实存在，并且随之而来的是回答一个自古希腊时代以来就困扰着哲学家、科学家和神学家的问题的可能性：在宇宙中我们是孤独的吗？
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最初的庆祝活动过后，科学家们开始着手研究他们将如何调查在绕外星太阳运行的行星上是否存在甚至是最基本生命形式的可能性。除了接收到外星广播（就像电影《超时空接触》中的朱迪·福斯特那样），唯一的方法就是搜索太阳系外行星的大气层中的生物特征——高度活泼分子的证据，例如氧气，除非某种代谢生物体正在补充供应，否则这些分子会迅速消失。
马西、麦耶和他们的同事只看到了行星对其母星的引力影响；要探测生物特征，您需要直接对系外大气层进行成像。为了做到这一点，NASA 计划发射一系列越来越强大的太空望远镜，该计划最终将达到顶峰，即一颗名为“陆地行星探测器干涉仪”的轨道望远镜，它将耗资数十亿美元，并在 2020 年代某个时候发射升空。简而言之，天文学家知道他们不会很快了解到关于系外行星大气层的任何信息。
他们错了。最初发现的那些系外行星激励了整整一代年轻科学家投身于这个突然成为天体物理学中最热门的专业。它也说服了许多年长的同事转行研究系外行星学。这种突然涌入的智力导致了研究系外行星大气层的新思路，并大大加快了速度。到 2001 年，观测者已经在某颗系外行星的大气层中识别出了钠。从那时起，他们还识别出了甲烷、二氧化碳、一氧化碳和水。他们甚至通过检查系外行星的大气层，间接地暗示了一些行星可能部分由纯金刚石构成。“在这一点上，”加州理工学院的天体物理学家希瑟·克努特森说，她参与了许多这些开创性的观测，“我们已经了解了大约 30 到 50 颗行星的大气层——如果你算上那些尚未发表的东西。”
这些发现距离提供生命证据还差得很远——这并不奇怪，因为克努特森谈论的大多数世界都是炙热的、类木行星，它们比火热的水星更紧密地环绕着它们的恒星运行。然而，克努特森和其他观测者越来越多地开始探测较小行星的大气层，即所谓的超级地球，它们的大小是我们地球的两到十倍——这是十年前没有人能够想象到的。2013 年 4 月宣布的开普勒太空望远镜发现了两颗大小不到地球两倍的行星，它们都位于温度可能允许生命生存的轨道上，这进一步暗示了适宜生命居住的世界几乎肯定是丰富的。因此，虽然这些行星，命名为开普勒 62e 和 62f，距离太远而无法详细研究，但天文学家确信，用不了几年，观测者就可以在本质上是地球双胞胎的行星的大气层中寻找生物特征。
停车场行星
天文学家认为，开始观察行星大气层需要数十年时间，因为最初的少数系外行星是通过间接方式发现的，即通过每颗行星对其母星的影响。行星本身是不可见的，但由于每颗恒星和行星都绕着共同的重心运行，行星的引力拖拽使恒星看起来会在原地摆动。当恒星向我们移动时，它的光会微妙地向可见光谱的蓝色端移动；当它远离时，光会向红色移动。移动的程度告诉观测者恒星的径向速度，或者说它朝向和远离地球的速度，这反过来又告诉我们系外行星的质量有多大。
然而，还有另一种选择可以找到行星。如果从地球上看，这颗看不见的行星的轨道是完全侧向的，那么这颗行星就会直接从其恒星前方经过，这就是所谓的凌星。然而，在近二十年前的最初发现时期，几乎没有天体物理学家考虑过凌星，仅仅是因为寻找行星本身就非常边缘化。（一个值得注意的例外是 NASA 艾姆斯研究中心的威廉·J·博鲁奇，他的开普勒探测器最终将发现数千个凌星天体。）
几年后，在 1999 年，当时在国家大气研究中心的蒂莫西·W·布朗和当时在哈佛大学读研究生的戴维·查博诺，在科罗拉多州博尔德市的一个停车场架起了一个小型业余尺寸的望远镜，并首次看到了系外行星凌星。这颗行星是 HD 209458b，之前已通过径向速度技术探测到。几周后，田纳西州立大学的格雷戈里·W·亨利与马西合作，观测到同一颗行星凌星其恒星。这两个团队因同时发表这两项探测结果而获得了同等的荣誉。
凌星的成功探测不仅为天文学家提供了第二种寻找系外行星的方法，也为他们提供了一种测量其密度的方法。径向速度技术揭示了 HD 209458b 的质量。现在天文学家知道它在物理上有多大，因为行星阻挡的星光量与其大小成正比。（将其质量除以其大小表明 HD 209458b 比木星大 38%，即使这颗行星的质量只有木星的 71%，这是一个出乎意料的结果，普林斯顿大学天体物理学家亚当·伯罗斯称之为“一个持续存在的问题需要解释。”）
到这时，许多天体物理学家已经意识到，凌星也使得研究系外行星的大气层成为可能，克努特森称之为“非常聪明的捷径”。事实上，甚至在首次凌星报告之前，麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格，当时是查博诺在哈佛的同门研究生，就与她的导师迪米塔·D·萨塞洛夫合著了一篇论文，其中他们预测了当来自恒星的光穿过行星的大气层时，当行星穿过恒星表面时，观测者应该看到什么[参见《我们可以称之为家园的行星》，作者：迪米塔·D·萨塞洛夫和戴安娜·瓦伦西亚；《大众科学》，2010 年 8 月]。物理学家早就知道，不同的原子和分子在不同的波长下吸收光。如果您在与您正在寻找的分子相对应的波长下观察行星，那么任何含有该分子的行星大气层都会吸收光。稀薄的行星大气层将变得不透明，使行星看起来更大。
西格和萨塞洛夫认为钠特别容易探测。“钠就像臭鼬气味，”查博诺说。“一点点就足够了。”他比任何人都更清楚这一点：2001 年，查博诺、布朗和他们的同事回到了 HD 209458b，他们最初的凌星行星，不是用简陋的业余望远镜，而是用哈勃太空望远镜。果然，钠信号就在那里，正如预测的那样。
完全掩食
天文学家们也意识到，还有第二种互补的方法来检查凌星行星的大气层。当行星从恒星前方经过时，它会向观测者呈现其夜面。在其他时候，它至少会显示其昼面的一部分，并且就在行星移动到恒星后面之前，昼面是面向地球的。尽管恒星要亮得多得多，但行星本身也会发光，主要是在红外线中。
然而，当行星移动到恒星后面时，这种光芒会突然消失；它对行星和恒星组合光的贡献消失了。如果天体物理学家可以进行前后比较，他们就可以推断出行星单独看起来会是什么样子。“它改变了问题的性质，”克努特森说。“你不必探测非常明亮物体附近的非常微弱的物体，而只需测量随时间变化的信号。”早在 2001 年，当时在 NASA 戈达德太空飞行中心的 L·德雷克·德明就将夏威夷莫纳克亚山上的红外望远镜对准 HD 209458b，试图看到所谓的二级掩食，但他说，他无法进行探测。
然而，他知道，计划于 2003 年发射的斯皮策太空望远镜几乎肯定能够进行这样的观测，查博诺也是如此。这两位天体物理学家在彼此不知情的情况下，都申请了斯皮策望远镜的时间来进行观测。两人都获得了时间并采集了数据。然后，在 2005 年初的某一天，德明回忆说，他收到了一条语音留言：“德雷克，我是哈佛大学的戴夫·查博诺，”声音说道。“我听说你最近做了一些有趣的观测。也许我们应该谈谈。”
事实证明，德明（与西格合作）和查博诺使用相同的天文台，几乎同时独立完成了历史上首次二级掩食探测。这两个小组同时公布了他们对两颗不同恒星的结果——德明案例中经过多次研究的 HD 209458b 和查博诺案例中一颗名为 TrES-1 的行星。一年后，德明的团队探测到了一颗名为 HD 189733b 的行星的二级掩食。“这，”西格和德明在 2010 年的一篇评论文章中写道，“引发了使用斯皮策太空望远镜进行二级掩食观测探测的浪潮……可以准确地说，没有人预料到斯皮策太空望远镜作为开发系外行星大气层研究领域的工具所产生的巨大影响和惊人效果。”事实上，西格说，“我们正在以他们从未设计过的方式使用哈勃和斯皮策望远镜，达到他们从未设计过的十进制位。”
大气层分层
西格说，这些研究表明了一些事情。“这听起来可能有点老生常谈，但我们已经了解到，热木星是热的。我们已经测量了它们的亮度和温度，”科学家们观察到的结果与他们期望恒星如何加热行星的情况一致。“第二，”她继续说道，“我们已经探测到了分子。现在，[我们发现的]与我们预期的非常不同吗？你知道，其实不然。”西格指出，物理学家可以简单地模拟一个由某些元素的组合构成的、处于某个温度的气球，并询问会形成什么样的分子。“物理和化学定律是普遍适用的，”她说。
然而，西格和其他天体物理学家也了解到，尽管系外行星大气层总体相似，但单个行星在几个方面可能有所不同。其中一个方面与温度如何随海拔高度变化有关。我们太阳系中的一些行星，例如木星和土星，显示出温度反演，其中温度随海拔高度升高而不是下降。另一些行星则没有。“问题在于，”克努特森观察到，“我们不知道是什么导致了反演，因此我们无法预测哪些系外行星会具有这种特征，哪些不会。”一些天体物理学家认为，具有反演现象的系外行星可能具有某种吸热分子，例如氧化钛，但到目前为止这只是一种假设。
另一个问题是，某些行星的大气层是否由与其他行星不同的分子混合物构成。现在在剑桥大学的尼库·马杜苏丹分析了一颗名为 WASP-12b 的行星的可见光和红外线特征，并推断出它的大气层异常富含碳，其中碳元素含量与氧元素含量大致相同。
理论表明，如果碳氧比率超过 0.8，并且在同一系统中的其他较小行星中也反映出来（鉴于太阳系中的行星被认为是从单一的气体和尘埃盘中凝聚而成的，情况很可能如此），那么将导致“岩石”由碳化物（富含碳的矿物）而不是我们太阳系中发现的富含硅的硅酸盐岩石构成。如果这是真的，那么 WASP-12 系统中一颗地球大小的行星可能拥有由金刚石构成的大陆。
西格和其他人撰写了理论论文，表明没有什么可以排除主要由碳甚至铁构成的行星的可能性。然而，就 WASP-12 而言，情况可能并非如此。克努特森说，德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的伊恩·克罗斯菲尔德最近发现，来自 WASP-12 的光被来自背景中较暗的双星的光污染了。“他的数据可能似乎对这颗特定行星的解释提出了一些疑问，”克努特森说。
水世界
到目前为止，观测的最强烈焦点一直集中在一颗名为 GJ 1214b 的行星上，它绕着一颗小型红色“M 矮星”运行，距离地球约 40 光年。它的近距离使 GJ 1214b 相对容易研究，而它的大小，仅为地球宽度的 2.7 倍，使其比行星搜寻初期发现的热木星更接近类地行星。“它是每个人最喜欢的超级地球，”芝加哥大学的研究生劳拉·克雷德伯格说，她正在领导一个此类观测项目的数据分析。
GJ 1214b 是在 2009 年由查博诺组织的所谓 MEarth 项目期间发现的，该项目旨在寻找 M 矮星周围的行星。其想法是，与围绕较大的恒星相比，围绕这些小型、昏暗的恒星更容易找到小型凌星行星，原因有几个。首先，一颗地球大小的行星会阻挡相对更大比例的小恒星的光。这样一颗行星也会对恒星施加相对更大的引力，从而更容易衡量行星的质量，进而衡量其密度。小型、低温恒星的宜居带也比炎热、类太阳恒星的宜居带要近得多，这使得凌星更有可能被发现（因为近轨道行星的轨道不必如此精确地对齐才能从恒星前方经过）。最后，银河系中的 M 矮星数量远多于类太阳恒星——前者约有 250 颗位于地球 30 光年左右的范围内，而后者只有 20 颗。
GJ 1214b 并非完全是第二个地球：它的宽度是地球的 2.7 倍，质量是地球的六倍半，这使得它的整体密度介于地球和海王星之间。不幸的是，正如查博诺和其他人在发现这颗行星后立即意识到的那样，这种密度可以通过几种不同的方式产生。例如，GJ 1214b 可能有一个小的岩石核心，周围环绕着巨大的、主要由氢气组成的大气层。它也可能有一个更大的核心，周围环绕着深海，顶部覆盖着一层薄薄的、富含水蒸气的大气层。仅凭密度，就无法区分这两种可能性——尽管考虑到液态水被认为是生命存在（如果我们所知）的先决条件（即使不是保证），海洋世界的可能性自然更令人兴奋。
然而，当芝加哥大学天文学家雅各布·比恩在不同波长下观测这颗行星时，希望看到其视大小的变化，这将表明大气层有多厚，但他什么也没看到。这可能意味着两种情况之一。这颗行星可能有一个蓬松的氢气大气层，但充满了云层和雾霾，这将使其难以探测。或者它可能有一个稀薄的含水大气层，但太稀薄而无法用地面望远镜描绘出来。克雷德伯格说，这种情况可能类似于从远处观察山脉，她于 2013 年开始与比恩合作。“可能存在山峰，”她解释说，“但如果你离得太远，它们可能会看起来像一条直线。”
为了试图解决这个问题，比恩和他的同事获得了 60 个哈勃轨道的观测时间。这不是天文学家第一次用哈勃望远镜观测 GJ 1214b，但到目前为止，这是最密集的计划。唉，当该团队分析他们的新数据时，他们既不能证实也不能反驳 GJ 1214b 是水世界的可能性。相反，哈勃望远镜的观测结果只是进一步证实了这样一种情况，即无论 GJ 1214b 的成分可能是什么，它的天空都充满了遮蔽性的云层。
搜寻氧气
现在天文学家从事行星搜寻业务已经有一段时间了，他们已经开始发现更多轨道周期较长的行星。这些行星比早期的热木星行星距离它们的恒星更远，因此也更冷。“在很长一段时间里，我们都被限制在 1,500 开尔文、2,000 开尔文的东西上，所以真的非常热，”克努特森说。在这些条件下，“大气层中的大部分碳与氧结合，形成一氧化碳，”她说。“当温度降至 1,000 开尔文以下时，真正有趣的事情就会发生，那就是它会转变为甲烷。”
甲烷特别有趣，因为它可能是生物活动的一个迹象——尽管这是一个模棱两可的迹象，因为甲烷可以通过纯粹的地球物理过程产生。氧气——尤其是臭氧，一种由三个氧原子构成的高度活泼分子——更有可能预示着生命的存在。但它也极其难以探测，因为它的光谱特征很微妙，尤其是在地球大小行星相对较小的大气层中。
然而，尽管围绕中等温度的超级地球开展了所有活动，天文学家们仍然专注于大奖。“所有这一切实际上只是一种练习，”西格说。“我的意思是，它本身很有趣，但对于像我这样的人来说，这只是一个垫脚石，以便我们最终从超级地球过渡到研究地球的大气层。”
这很可能不会在詹姆斯·韦伯太空望远镜发射到轨道之前发生，可能在 2018 年，以及新一代巨型地面仪器，包括巨型麦哲伦望远镜和三十米望远镜，在 2020 年代上线。即使有了这些强大的仪器，西格说，“也需要数百甚至数百小时”的观测时间。即使到那时，是否有可能明确地探测到生命的迹象尚不清楚；为此，观测者可能仍然需要陆地行星探测器，该探测器的资金已被大幅削减，以至于对实际发射日期的任何希望都纯粹是猜测。
然而，令人瞩目的是，远远领先于 1990 年代任何人梦想的任何时间表，西格甚至可以谈论找到生物特征的现实前景。我们不再仅仅希望外星文明会发现我们并向我们发送信息。我们正在积极探索遥远世界上的空气，搜寻它们的天空，寻找有什么东西存在的迹象。