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二十年前，你可以用手指和脚趾数遍宇宙中所有已知的行星，并从记忆中背诵它们的名字。而今天，你可能需要计算器和电子表格：成千上万的系外行星——围绕其他恒星运行的世界——填满了我们的目录。天文学家们现在准备再发现数万颗行星。
这些奇异的新世界大多是过热、不适宜居住且千差万别的气态巨行星——“热木星”或“温暖的亚海王星”，但有些似乎是我们自己世界的超大版本——岩石质、温带的“超级地球”。少数几个在大小、质量和轨道等基本方面几乎与地球相同。统计数据强烈表明，行星一定围绕着天空中的每一颗恒星运行，甚至暗示最近的地球孪生行星可能距离我们不到十几光年——以星际距离而言，实际上就在隔壁。然而，行星猎人们仍然不确定这样的“替身”是否存在. 他们最终何时以及如何找到答案，可能取决于近期做出的决定。
迄今为止，最令人兴奋的发现大多来自 NASA 的行星搜寻开普勒任务，但那架太空望远镜发现的世界往往太暗太远，难以进行后续调查。开普勒最新的任务阶段，被称为“K2”，现在正在寻找更近、更亮的恒星周围的行星。然而，这项搜索要到 2017 年才能进入高潮，届时 NASA 计划发射开普勒的继任者——凌星系外行星巡天卫星 (TESS)。与开普勒一样，TESS 将搜索在其太阳表面“凌星”的阴影世界。TESS 可能会发现数千颗附近的行星，其中数百颗可能是小型岩石行星。在这些小型岩石世界中，有少数会沐浴在它们所环绕的小而暗淡的“M 矮星”的充足星光下，使其表面拥有液态水。
也就是说，TESS 应该会发现少数几个附近的行星，这些行星可能是宜居的，甚至可能已经有生命存在。为了了解更多信息，天文学家将不得不使用光谱仪远程检查每个世界的大气层，以探测宜人气候的标志，例如水蒸气和二氧化碳，甚至可能探测生命的潜在迹象，例如光合植物产生的氧气或细菌产生的甲烷。
在 2020 年代，一些地面“极大望远镜”，其镜面直径为 30 米或更大，将寻求对 TESS 和其他任务可能发现的一些最亮、最近的潜在宜居系外行星进行一些测量。但普遍认为，研究这些行星以寻找生命迹象的最佳方法是从太空进行，在高空中远离地球湍流大气的干扰。
天文学家已经将老化的哈勃和斯皮策太空望远镜推向极限，以粗略地检查一些大型、炎热、不适宜居住的世界的大气层。只有一架太空天文台，NASA 耗资近 90 亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜，计划于 2018 年发射，有望在不久的将来跟进 TESS 最诱人的发现——望远镜的推广者在与公众或国会沟通时，很少不强调这一点。
然而，韦伯究竟有多大的希望，取决于你问的是谁。韦伯太空望远镜科学研究所的项目科学家杰森·卡莱莱持乐观态度。“借助 [韦伯]，我们可以测量围绕 [M 矮星] 运行的温暖超级地球大气层中的二氧化碳、甲烷和水蒸气等分子，”他说。同样在研究所的天文学家杰夫·瓦伦蒂对韦伯的前景更加不确定。“大自然尚未表明韦伯是否能够成功地描述 M 矮星周围潜在宜居的世界，”他说。“我们会尝试这样做吗？我很确定我们会尝试。它会是结论性的吗？我对此表示怀疑。”
寻找生命，发现热空气
凭借其低温冷却探测器的敏锐红外视觉和巨大的 6.5 米镜面，韦伯应该能够检查 TESS 的一些凌星行星的大气层。当行星凌星并被其恒星背光照射时，韦伯可以尝试通过收集穿过行星的光线来研究该世界的高层大气，从而获得有关大气成分和结构的信息。韦伯还可以通过观察行星凌星之外发生的恒星亮度变化来帮助估计行星的白昼温度，例如当行星从其恒星后面经过并被遮蔽时。
关于韦伯在太阳系外生命搜索中能走多远的争论，很大程度上取决于运气。如果 TESS 没有在离我们太阳最近的一些 M 矮星周围发现任何诱人的超级地球，韦伯就没有多少东西可以研究。韦伯的设计目的是研究宇宙的第一批恒星，而不是潜在的宜居世界，其仪器的定义远早于天文学家意识到凌星系外行星的潜力。检查更大、更亮、更像太阳的恒星周围的类地行星将超出韦伯的能力范围，需要新的、有风险的光学技术，这些技术无法及时添加到望远镜中以赶上发射。
最安全的赌注是，对于至少一颗凌星附近的 M 矮星的潜在宜居超级地球，韦伯将能够确定该行星仅仅拥有大气层。即便如此，将韦伯将研究的任何 M 矮星世界称为“潜在宜居”可能都是牵强的。M 矮星对行星的宜居性提出了许多不确定性和挑战：它们宜居带中的世界可能会受到非常强大的恒星耀斑的冲击，并且也可能被潮汐锁定，一个半球持续面向恒星。
模拟表明，为了让韦伯能够轻易探测到凌星 M 矮星的岩石行星上的水蒸气，该行星可能需要被厚厚的氢气层覆盖，或者温度超过 120 摄氏度。根据来自系外行星探索计划分析小组 (ExoPAG) 的一项新研究，ExoPAG 是一个有影响力的科学家委员会，帮助 NASA 确定任务的优先顺序和计划，这样的测量每个小型岩石世界都需要数月的观测时间。尽管对于生命的前景可能黯淡，但韦伯研究的每个“潜在宜居”目标都需要大量望远镜时间的投入。“即使我们在 TESS 的一颗岩石凌星行星上探测到水，对于宜居性来说也可能是坏消息，”马萨诸塞州阿默斯特学院的天文学家尼克·考恩说，他是这项新研究的主要作者。考恩说，一颗具有足够富含水蒸气的高层大气以供韦伯探测的类地行星，可能正处于将水流失到太空并变成像金星一样干燥炎热的世界的过程中。
考虑到韦伯必须在其五年主要任务期间与整个天体物理学界共享，并且只有大约 25% 的观测时间可用于研究凌星系外行星，科学家们现在正在争论望远镜应该在多大程度上重视研究边缘宜居世界。毕竟，韦伯在研究这些世界时会遇到困难，提供的低质量观测结果可能会提出比答案更多的问题，但望远镜可以更轻松地提供关于更大、更热、完全不适宜居住的行星的形成和大气演化的前所未有的新数据。“TESS 和韦伯正在将我们从目标受限的凌星行星领域带入时间受限的领域，”ExoPAG 主席、俄亥俄州立大学天文学家斯科特·高迪说。“并不是说韦伯不能检查潜在宜居的行星；而是它可能需要比我们实际能够获得的更多的时间……。如果你把所有可能可用的时间加起来，你可以想象要么对数百颗热木星和温暖的亚海王星进行大规模调查，要么花费时间研究少数几颗凌星的温带类地行星。”
寻找失去的时间
对于望远镜的时间分配委员会来说，弄清楚如何最好地利用韦伯将是一项精细的任务，这些委员会将在望远镜 2018 年发射之前开始他们的审议。尽管韦伯可以研究比宜居行星多得多的不宜居行星，“但在许多热木星的情况下，我认为韦伯在某种意义上是杀鸡用牛刀，”高迪说。“这就像用大锤钉钉子……。你可以用更小的东西完成这项工作。而且有一种观点认为，你应该把你最好、最先进、最昂贵的设施用于它独一无二能够做的事情，即使它不是完美的”——比如观察超级地球。
ExoPAG 认为，解决僵局的一种潜在方案是将韦伯对气态巨行星的潜在研究外包给另一个太空任务，一个规模更小、更便宜的太空望远镜，专门用于调查数百颗凌星热木星和温暖的亚海王星的大气层。这样的任务理论上可以在 2020 年代中期建成并发射，届时韦伯将接近其暮年。
天文学家最近提出了这样的任务，但结果并不理想。2013 年，NASA 否决了一项名为 FINESSE（快速红外系外行星光谱巡天探测器）的提案，转而支持 TESS。去年，欧洲航天局选择了 PLATO（行星凌星和恒星振荡）——一项与开普勒非常相似的任务——计划于 2024 年发射，而不是 EChO（系外行星特征观测站），一项调查气态巨行星大气层的任务。现在，韦伯观测时间有限的严酷现实正在逐渐显现，这些提案背后的两个团队都在重新考虑他们的机会。欧洲 EChO 团队已经提交了一项名为 ARIEL 的新提案，而美国 FINESSE 团队据传也在制定一项新的提案。
“系外行星界的一部分人想要找到并研究我们最近的近亲，地球孪生行星，试图探测它们上面的生命，但社区的另一个方面热爱并想要了解整个行星家族，”系外行星大气专家、NASA 喷气推进实验室 FINESSE 团队负责人马克·斯温说。“这些是不同的观点，但也许它们最终会殊途同归，”斯温补充道。“我认为，最终要确定地球行星上是否存在生命，我们需要了解它的大气层是如何运作的，而这需要将其置于行星大气层整体背景下。大规模的巡天任务将提供这种广泛的背景。”
无论是否会出现一个凌星巡天太空望远镜来补充韦伯，NASA 的韦伯后项目已经在进行中。在韦伯之后，该机构计划在 2020 年代某个时候发射 2.4 米的 WFIRST（广域红外巡天望远镜），以研究暗能量并拍摄气态巨行星系外行星的快照。许多行星猎人将他们寻找外星地球的希望寄托在 2030 年代或更晚可能跟随 WFIRST 的任何项目上，梦想着一架 10 米或 12 米的太空望远镜，它将是专门为直接成像大量附近类太阳恒星周围的其他类地行星而建造的。但是，为这项艰巨的任务优化望远镜也会损害其深入研究围绕较小、较暗恒星的有希望的行星的能力。理论上，这样的望远镜可以研究数百颗围绕像我们太阳一样的恒星运行的镜像地球，但代价是只能探测可能围绕最近、最亮的 M 矮星运行的十几颗潜在宜居世界。
因此，系外行星领域的下一场重大地盘战可能会围绕寻求真正的蓝色地球孪生行星与研究韦伯可能开始揭示的更奇异的 M 矮星世界之间爆发。“我不认为韦伯会在寻找生命方面一鸣惊人，”阿默斯特学院的考恩说。“它可以让我们在这些 M 矮星行星上取得进展，但没有任何正在进行的工作可以将我们带回家。每个下一代任务都在追逐围绕类太阳恒星运行的地球。想象一下，如果我们得到这些 M 矮星行星的诱人观测结果，并了解到它们有大气层，然后就将它们搁置 30 年。这可能会成为一个问题。”