卡尔·萨根将从太空看到的地球描述为一个暗淡蓝点，我们首次直接拍摄到的遥远行星的图像也将同样微小。当新的巨型望远镜捕捉到系外行星的第一批照片时，我们最多只能看到半个像素的灰色模糊。即便如此，渴望了解任何系外行星是否孕育着生命的调查人员或许能够在第一批模糊图像中找到线索。然而，首先，他们需要知道，来自与我们自身截然不同的世界的生物特征会是什么样子。
许多团队现在正专注于寻找答案。最新的加入者是康奈尔大学的暗淡蓝点研究所，该研究所于5月9日正式启动（并且刚刚更名为卡尔·萨根研究所）。该研究所一直在努力创建一个“指纹”数据库，用于识别可能在从系外行星到达望远镜的光线中辨别出的生命迹象。
这是因为关于遥远行星的早期信息，大部分将以电磁频谱的形式出现：行星辐射的波长，无论是直接辐射还是通过其恒星的光线穿过其大气层辐射。这个频谱可以揭示系外行星大气层中的化学物质，有时也可以揭示其表面的化学物质。例如，地球会因为所有进行光合作用的植物而呈现绿色（加上水的蓝色，以及淡淡的珍珠色云彩），并且还会提供其他生命迹象。我们的光谱会揭示水蒸气的存在——这是一个强烈的暗示，表明该行星适合生命存在——以及丰富的氧气和甲烷。后者的组合随着时间的推移会表明氧气正在以某种方式更新，因为甲烷会降解氧气，但氧气并没有消失。这样的过程将是生命迹象，生命是大量更新氧气最可能的来源之一。其他行星上类似的特征——表明存在氧气、甲烷、水，甚至可能是进行光合作用的植物的绿色——将表明它们适合像地球上发现的那样的碳基生命。
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当然，系外行星的光谱可能与我们自身的光谱非常不同，这使得生命迹象更难以解析。如果大气层中充满了碳氢化合物，就像土星最大的卫星泰坦的表面一样，那么将很难透过雾霾辨别出更接近表面的任何东西。同样，像金星上那样浓厚的云层会反射光线，并遮蔽下面的其他气体。或者，剧烈的地质活动喷出的气体可能会掩盖少量正在产生的其他气体。因此，研究人员正在模拟在这种情况以及许多其他情况下行星光谱的样子——从尘土覆盖的沙丘世界到被水覆盖或围绕着非常暗淡的恒星运行的世界。“在某种程度上，这就像系外行星的CSI，”天文学家兼新研究所负责人丽莎·卡尔特内格谈到正在蓬勃发展的模拟数据库时说。就像法医调查人员从指纹和DNA等迹象中识别出谁犯了罪一样，系外行星研究人员将能够将光谱数据库与来自行星的真实测量数据进行比较，反向推断出什么样的天体产生了该光谱。卡尔特内格指出，她不想仅仅因为生命迹象出现在一个比地球和我们太阳系中的其他行星更大、更小、更热、更冷、更年轻或更老的行星上而错过这些迹象。
现有的最复杂的 атмосферных 模拟是为地球构建的，并融入了地球大气层和地理的特定细节。虽然它们对于天气预报和精确分析很有用，但研究人员没有足够的关于其他行星的细节来为它们构建如此复杂的东西。相反，卡尔特内格的研究小组专注于更简单的“一维”模拟，这种模拟将整个气候和大气层统一建模，就好像你只看到了整个事物的一瞥。一维模型可以纳入和探索所有不同类型的气体、行星结构、恒星类型和你可以想象的生命的影响，但它将行星的大气层视为一种均匀的混合物；它不是跟踪云层在表面上的移动，而是平均空气中所有水蒸气的总量。它非常适合帮助天文学家理解他们将看到的第一批行星图像，无论如何，那都将只是一个单点。
随着望远镜变得更加精密，天文学家将收集到比我们现在拥有或正在建造的最好的仪器所能收集到的更详细的关于系外行星特性的信息。能够直接成像行星（使用来自其恒星的反射光）的望远镜将填补关于自转、地理和季节的缺失细节。这些信息可以帮助揭示生命在给定世界中生存所需的特征。例如，一个潮汐锁定的世界，一面始终朝向太阳，其条件将与它平均环境可能暗示的条件非常不同——一面非常寒冷，另一面非常炎热——并且适合与那些可能在温度均匀的行星上发现的生物不同类型的生物。
随着模拟变得更加详细，它可以揭示意想不到的情况：当哈佛-史密森天体物理学中心的 Dimitar Sasselov 天文学家帮助模拟一个完全被水覆盖的行星时，他发现了一种完全未知的“暖冰”形式，位于广阔海洋的底部，那里的压力将海底的水压成致密的固体形式，海浪可能会持续在表面移动，永不破碎。这种情况允许科学家考虑生命在这些条件下产生和持续所需的特征，甚至是与我们现在所知的任何生物学都不同的外星生物学。
模拟还可以揭示似乎代表生命但可能由非生物过程产生的信号。华盛顿大学虚拟行星实验室的首席研究员维多利亚·梅多斯说，试图预测可能愚弄他们的信号，导致了她的团队的许多发现。例如，该实验室最近发表了一篇关于氧气在没有生命参与的情况下产生的四种不同方式的论文。了解了这些，他们就可以计算出望远镜必须进行的测量，以排除这些替代原因。他们还可以查明哪些光谱指纹最能说明潜在的生命。
这些模拟工具只是第一步：为了确定生命可能采取的形式以及这些形式可能提供的信号，天文学家正在跨学科合作，并进行不熟悉的生物实验室考察。例如，卡尔特内格的研究小组研究了 137 种微生物的光谱，包括在地球上最不适宜居住的环境中茁壮成长的极端微生物。这个颜色目录提供了先进望远镜如果行星的主要生物体适合非常不同的环境时会看到的数据，以便我们可能从远处识别它们。萨塞洛夫的生命起源倡议汇集了来自各个学科的人员，进行实验探索创造生命所需的成分以及生命形成的过程。本质上，他们正在问：如果我们通过望远镜观察早期地球，我们如何识别地球上的生命？他们还在思考完全不同的生命形式可能如何以及以何种方式出现。“会有很多我们没有考虑到的事情，但我们正在努力提出尽可能多样化和引人入胜的世界，”卡尔特内格说，“扩大参数空间，以便在力所能及的情况下不遗漏信号。”
开普勒太空望远镜通过发现系外行星凌日或从恒星前方经过时引起的微弱星光变暗，揭示了系外行星有多么普遍。TESS，一项类似的旨在寻找离我们更近的行星的任务，将识别出足够明亮的选择，以便进行更详细的检查。当未来的工具，例如将于 2018 年问世的詹姆斯·韦伯太空望远镜，将其视线转向系外行星时，它们将只有有限的机会来收集行星大气层的详细信息，因为它们的恒星光线会穿过它们。未来的望远镜将能够看到实际表面颜色的点。到那时，系外行星研究人员计划做好准备。他们正在构建一幅关于生命可能是什么样子、它可能如何表现自身以及如何验证它是真实的宏伟蓝图——以便知道在该微小的颜色污迹中寻找什么。
“我们身处一个熟悉的事物不一定是我们所见的世界，”萨塞洛夫说。“这是巨大的问题，也是巨大的机遇。”