播客：不久前，科学家们证实了太阳并非独一无二 —— 其他恒星也拥有自己的行星。这是一项历经几个世纪的发现，而它又会对如今的地球和我们在宇宙中的位置意味着什么呢？
家园意味着什么？是什么让它变得特别？仰望星空能告诉我们关于脚下这片土地的什么秘密？
还未走出太阳系
我们的世界 —— 地球 —— 对我们来说意味着一切。它的大小、到太阳的距离和太阳本身都恰到好处地能够形成液态水，孕育像我们这样的生命。然而，近几十年，甚至近几个世纪以来，科学家和哲学家们都在仰望星空，询问着自己同样的问题：地球究竟有多么特别？这些是否特性很罕见，甚至独一无二？或者说，在浩瀚的宇宙中，这样的星球其实并不稀有？
在过去的几十年里，我们一直在探索我们在宇宙中的位置。在每一次转折中，研究人员都会发现新的惊喜。
杰克-利索尔：" 对于行星探索，有一个总的主题，那就是多样性。当我们观察时，一切都比预想的更加多样化 "。
这是美国宇航局艾姆斯研究中心的太空科学家杰克-利索尔。他亲眼目睹了研究人员是如何发现这些细节和多样性的。你看，如果我们把时间退回到 50 年前，那时候已知行星的数量和过去的几个世纪相比其实并没有太大的变化。
太阳系中的行星分为三类：气态巨行星（木星和土星）、冰态巨行星（天王星和海王星）以及岩质行星（水星、金星、火星，当然还有地球）。
“其中一个最引人入胜的问题是，地球是否是独一无二的，或者它只是陆地行星系列中的一员，以某种方式填补了金星和火星之间的空白。”
这是 1971 年发表在《天文学和天体物理学年度评论》上的一篇题为《火星和金星的大气层》的评论中的一段话。地球与它的两个邻居到底有多大的不同，以及为什么不同，这在当时是一个非常开放的问题。
杰克-利索尔："我认为，在 20 世纪中叶，仍然有人认为火星可能非常像地球。这个观点在 20 世纪初非常流行。"
随着时间的推移，我们对太阳系中的行星进行了更详细的研究。20 世纪 70 年代，苏联和美国的大量登陆器争相登陆我们的邻居金星和火星。1977 年发射的旅行者号探测器访问了太阳系的四颗外行星。每一次任务都为太阳系的拼图提供了更多的碎片，揭示了行星是由什么构成的，它们有多像和不像，以及它们 —— 乃至整个太阳系 —— 是如何和何时形成的。
荷兰莱顿大学（Leiden University）的天体物理学家埃文・范・迪肖克（Ewine van Dishoeck）是 Annual Review of Astronomy and Astrophysics（《天文学和天体物理学年度评论》）的联合编辑。她见证了我们对火星、金星和地球的认识是如何随着时间的推移而演变的：
埃文・范・迪肖克: “也许它们的诞生方式非常相似，但我们了解到 —— 在之后的 45 亿年中，它们的演变方式大相径庭。这就是地球现在是宇宙中独一无二星球的原因。金星和火星可能一开始有相近的含水量，但它们的演化却截然不同。”
这样说来，地球可能并没那么特别：其他行星可能也一开始就有水存在，我们的行星 —— 地球，只是因为与太阳的距离特殊，恰逢其他一些关键因素，因此稍微幸运了一些。但实际上，有一些非常重要的因素使得地球与众不同。
保罗・巴特勒: “当然，关于地球最特别的一点是它孕育了我们 —— 生命。”
保罗・巴特勒，是卡内基科学研究所的一员。在 20 世纪 70 年代，地球既普通又特殊，普通在它只是另一个类地行星；特殊点在于 —— 它是我们所知的宇宙中唯一的生命之家。但是这一观点有一个重要的限制。几十年前，我们只知道一个被行星环绕的恒星 —— 太阳。这意味着，正如 1971 年的一篇评论所解释的那样：
“在宇宙中可能存在的所有行星中，只有九颗被人类研究过。”
但是，在宇宙的背景下讨论地球是否特殊并不能仅仅局限于地球在太阳系中的位置。人们正在进行一项任务，即：探索其他恒星是否真的拥有自己的行星，以及分析这些行星的特点。
埃文・范・迪肖克: “我想，当时肯定有很多关于其他行星系统的猜测。现在是否有像地球那样独特的行星是颇有价值的问题，两种观点都曾有人提出过。”
事实上，早在几百年前就有人提出在太阳系之外存在行星这个观点。1584 年，意大利哲学家乔尔达诺・布鲁诺就认为：
宇宙中存在无数个太阳，围绕这些太阳运转着无限多的地球，就像我们能看到的七颗行星围绕着我们附近的太阳运转一样。
系外行星
哥白尼的异端观点可能导致了他在 16 年后被处决。300 年后的 18 世纪和 19 世纪，人们似乎一个接一个地“发现”了外行星。例如，早在 1855 年，就有人通过观察到一对相互围绕的恒星的运动异常来推测存在系外行星。
20 世纪，关于新行星的报道增加了，但是随即又出现了一个问题。
杰克・利索尔（Jack Lissauer）：“在 60 年代和 80 年代初，有关首次发现系外行星的新闻登上了头条。这些新闻都声称他们报道的行星是人类首次发现的系外行星，但是他们都声称自己是首次发现一定是不对的。”
实际上，随着更多证据的出现，几乎所有这些报道的“首次发现”都被证伪了。
像我们刚认识的杰克・利索尔这样的一些研究人员，并不想一直等待直到一个被证实的发现最终出现。相反，他们致力于提出理论来展示可能存在的情况。在他 1993 年发表的一篇名为“行星形成”的综述中，杰克指出：
“我们只对一个行星系统有着确切的了解 —— 那就是我们所生活的太阳系。所以，目前来说，理论模型为我们提供了最佳的手段来估测我们所在的银河系中行星系统的丰富度和多样性......”
当然，只有一个太阳系和一些关于年轻恒星周围物质盘的证据，这样的研究充满了推测。现在回头看，杰克发现研究工作的局限性。
杰克・利索尔：“如果人们做出了详细的预测，结果往往不尽如人意，但总的来说，我们基本上还是朝对的方向努力的。”
与此同时，保罗则对早期关于形成我们太阳系之外行星的理论工作的评价毫不客气。
保罗・巴特勒：“每个行星形成的理论都有一个共同点，那就是它们都差得离谱，简直毫不相干。我们当时被局限困住了。”
但是在 1993 年，这些模型无从验证。人们希望能通过实际观察其他行星系统来“最终”获得更多的限制条件。
“最终”这个词在那个时候听起来似乎还遥不可及。毕竟，要观测到外行星，需要许多技术上的突破。天文学家需要灵敏的光谱学技术来探测恒星微小的运动，这样才能显示出有行星的引力在影响它的运动。同时，他们还需要强大的计算能力和存储空间来处理这些数据。
第一个系外行星的发现
两年后，到 1995 年，有一个宣布发现了第一个类似太阳的恒星周围的外行星。这颗奇异的候选行星的特征又是很古怪 —— 它似乎质量接近木星，但不同于距离太阳很远的木星，这颗星在近距离围绕着恒星旋转，大约四天绕行一周。
保罗・巴特勒：“大多数人都认为那是错误的，因为首先，直到那时所有宣称找到系外行星的声明都是假的。其次，所有人都知道在每四天为一周期的轨道上不可能有一颗像木星那样的行星，这种想法非常荒唐。当时我们在接下来的一周恰巧有四晚能够在望远镜上进行观测。我们带着怀疑的态度过去，认为不可能看到结果。在那四天结束后，我们对着结果感到震惊，那些数据完全正确。这样的事情真的存在，它具有一个四天周期的轨道，他们真的完成了一项壮举。这个消息很快传遍了全世界。在随后的三四天里，我们的电话响个不停。《纽约时报》《华盛顿邮报》，还有各种科学杂志都在不停地联系我们。”
来自媒体铺天盖地的报道压的令人喘不过气来。但是这也可以理解，因为这是人类第一次对另一个地外星系的报道。1995 年 10 月 20 号《纽约时报》这样进行报道：
如果这些发现得到了进一步的研究证实，那么这些发现将会产生深远的哲学上和科学上的影响。人们对于太阳系是独一无二的存在这一种认识将会不攻自破，并且存在其他地外星系的可能性意味着宇宙内更有可能存在其它外星生命 —— 也许是智慧生命。
但是并非所有人都是如此的兴奋。事实上，埃文记得当时学术界对这个实验的反应完全不同。
埃文・范・迪肖克：当然，这完全在情理之中。当然，它奇怪的轨道让这颗行星的成分和结构令人惊讶。但是我认为所有人都在等待这一个结果。某种程度上来说，人们对系外行星的探索有太多的负面结果，就好像是“这是怎么了？出了什么问题？我们到底哪里出现了错误？为什么我们看不到这些系外行星？”现在的这一实验结果让我们如释重负，我们终于找到这些系外行星了。
不管是如释重负还是启示之录，这是第一次人类得以窥见系外行星，也得以明白宇宙的其他行星和我们身边的太阳系中的其他行星是存在如此巨大的差异。虽然一些行星科学家已经考虑过如此巨大的行星在如此接近其恒星的轨道上运行的可能性，但这肯定不是寻找地外行星的重点。
杰克・利索尔：这也是为什么发现这个地外星系花了科学家们如此长的时间，因为科学家们正在寻找与我们的太阳系更相似的东西。也许是更近一点的“木星”，或者质量更大一点，或者类似的东西。
在接下来的这几个月里，更多这些所谓的“热木星”被科学家们所发现，这表明这种看似非凡的行星实际上是多么普遍。保罗 —— 我们刚才听到他描述了他对第一颗系外行星的验证 —— 发现了下一颗系外行星。1998 年，他在《天文学和天体物理学年度评论》上合作发表了一篇评论，详细介绍了首批被发现的八颗行星。这篇题为《太阳系外巨行星的探测》的综述也详细回忆了这项研究的历程。
2000 年来，科学家们同时都提出了支持和反对系外行星是否存在的前沿的科学观点。
这篇综述这样写道：
迄今为止发现的木星质量伴星的大偏心率和小轨道验证了哥白尼的理论。
也就是说，这些巨型行星以及它们所运转的微小轨道进一步完善了哥白尼的宇宙模型：也就是说，地球既不是宇宙的中心，也非宇宙的典型形象。
更多的系外行星
但是研究未尽于此。毕竟，目前为止发现的所有行星都让人想起太阳系中最大的行星：木星 —— 一颗巨型的气态行星。所以，目前的问题是：天文学家能追踪到另一颗类似地球的系外行星吗？在保罗详细介绍前八颗系外行星发现的同一期的另一篇文章中，这篇题为“天文搜索类地行星和生命迹象”的综述详细介绍了目前科学家们还有多少工作要做：
对于探测系外行星，人类所需要的技术进步空间还非常大，即使是探测离太阳系最近的系外星系中的类地行星...... 人类需要能够探测并处理极端的对比度和动态范围的能力。
这项研究要求数年的工作、新的望远镜、新的工具和技术。但是即便在 1998 年，这些目标仍然犹在天边。
我们生活在一个幸运的时代，我们的深空探测技术强大到足以支撑起过去几个时代的科学家们所梦寐以求的目标，找到系外类地行星和地外生命。
随着技术的发展和时代的进步，天文学家更有能力发现系外类太阳系星系了。第一颗系外行星是天文学家们通过观察行星的主星摆动发现的，这一现象也揭示了行星的微小引力拖曳。但与此同时，越来越多的天文学家报道了行星在穿过恒星前方时，恒星的光线略微变暗的现象。这些方法的结合使科学家在 2009 年报道了第一颗可能为岩石行星的发现。同年，一个专门为寻找系外行星的卫星发射升空。这架开普勒太空望远镜的运行使天文学家们能够以前所未有的频率观测恒星的亮度。
杰克・利索尔：我们发展出了一片新的学科领域，并且这门学科领域从 1995 年的一无所有发展成为天文学的几大主要内容之一。没有人能够预测到这个领域能够以如此迅速的速度成长为如今的规模。
伴随着众多新发现的系外行星，科学家们也发现越来越多意料之外的星系。例如，具有极致偏心轨道的行星，这种行星与我们地球近乎圆形的行星轨迹截然不同。亦或是，围绕两颗恒星而非一颗恒星运行的行星。还有，那些在大小上让人联想到地球的行星，但这些行星的轨道距离更近，或者围绕在更小的恒星周围运行。
埃文・范・迪肖克：如果回看我们发现系外行星的发现历史，我认为我们缺乏一点点想象力。我认为我们现在知道了宇宙还有很多其他各式各样我们难以想象的星系。以及其他各种各样行星。
保罗 —— 一位参与了发现数以千计的星球的天文学家 —— 乐于发现所有的这些惊喜。
保罗・巴特勒：这个过程的有趣之处在于，理论家们的每一步都错了。在发现新行星的每一个过程中，观测的结果都让理论家们发疯了。不过作为一个观测者，这基本上是最好的结果。
天文学家们一直在寻求尽可能多地了解这些行星。目前科学家们预测系外行星的大小和质量的研究并不少见。但鉴于离太阳系最近的系外行星与地球之间的距离大约是地球和火星之间距离的 70 万倍，因此系外行星的其他细节很难被观测到。但是，天文学家发现了这些行星的有趣特征。这些特征包括从行星的火山活动到轨道卫星。天文学家们将人类能收集到的少量信息拼凑在一起，可以帮助天文学家回答最有趣的问题之一：这些系外行星中是否存在生命。
保罗・巴特勒：除非外星人对人类异常善良，并且向人类发送出他们的电视节目或是大英百科全书的内容或是随便什么广播的内容，否则人类是不会轻易接触到地外生命的。
目前未知我们还没有捕获到这样的电磁波信号，尽管我们仍然在苦苦追寻着它们。为了更进一步主动地寻找到地外生命，系外行星天文学家正在寻找他们所希望的最佳证据：系外行星的大气层。
系外行星的大气层是唯一能够预示着星球是否能够孕育生命或可能宜居的唯一线索。同时，星球的大气环境是我们观测星球温度、宜居程度、以及生物特征气体的窗口。
这段话引用自 2010 年的一篇综述文章，文章标题就是简单的“系外行星大气层”。这篇文章发表在《天文学和天体物理学年度评论》上。
“热木星”的研究占据了大气科学研究的绝大部分......
尽管这些“热木星”并没有孕育生命的可能性，这些文章同样在探索怎样的大气环境能够更有可能存在地外生命。文章详细分析了地球大气环境中对孕育生命有利的因素，天文学家们正希望在系外行星中寻找这些利于生命孕育的大气层。
目前，天文学家们仍然只能初步分析确认他们已经观测到的岩类行星的大气层。许多人寄希望于新一代的望远镜来打开观察这些遥远世界的窗户。
埃文・范・迪肖克：我认为对行星大气层的研究一定是寻找系外行星的下一个热点。现在我们能够在统计上探明了这些行星的数量和行星的种类。但是，现在我们非常需要对这些行星进行进一步观测，此外，这些大气在提供行星是否宜居的信息的同时也提供了关于行星形成的信息。
自从第一颗系外行星被发现以来的二十五年里，这个领域得到了飞速发展。随着越来越多的新行星的发现以及更为细节信息的获取，现在科学家们似乎对第一个问题有了非常明确的答案：地球有多特别？或是，你认为地球有多特别？
埃文・范・迪肖克：地球有多特别或是独一无二，仍然是一个未解之谜。我们当然明白宇宙中肯定存在其他的类地行星，我们同样明白宇宙中的这些类地行星所处在的轨道位置正好适合液态水的存在。但是我不认为当我们面对的是类似于太阳的其它恒星时，我们能够得到确切的答案。
杰克・利索尔：人类难以得到这些结果的原因是，这些行星极难被发现。如果我们需要估计类地行星的大小和轨道周期有哪些共同之处，我们必须根据我们拥有的数据进行推断。
对围绕恒星运转系外行星的尺寸和轨道的形似之处进行推断依赖于科学的假设。并且，考虑到系外行星的行为经常无法被研究人员准确预计，这些假设也可能是错误的，或者是错位的。新技术的发展对发现新行星及行星的隐性特征至关重要，也对揭示地球到底有多独特至关重要。
埃文・范・迪肖克：我认为我们在研究其他行星所取得的成果也只是冰山的一脚。因此，所有这些问题现在都到了我们实际上拥有技术才能开始回答它们的阶段。这还需要相当长的时间，可能还需要几十年的时间，我们才能回答一部分问题。但至少我们是拥有能够研究这些问题所需要的技术的第一代科学家们，因此我们可以开始回答其中一些非常基本的问题。
同时，正当我们已经在过去的半个多世纪里走过了相当长的历程 —— 来研究系外行星、我们的邻居行星以及太阳系 —— 这些问题所涉及的维度也变得非常广。
杰克・利索尔：我们目前对系外行星的了解不甚于我们在 50 年前对于我们太阳系内行星的了解。
尽管目前在研究行星的过程中仍然存在许多还未完成的任务，但是对于保罗而言，目前下一个研究目标已经非常明显了。
保罗・巴特勒：这个研究目标就是寻找第二个地球。当然，还有一个价值 600 亿美元的问题：这些星球能否孕育生命吗？生命是常见的还是罕见的？
那么地球在宇宙中到底以样的地位存在着？地球有多特别？在过去的半个世纪里，我们已经向我们的邻居发射了探测器，并瞥见了遥远恒星周围的数千颗行星。这些结果表明，宇宙中的行星是各式各样的，并暗示宇宙中可能不仅有一个，而是无数个类地行星。又或者，也许我们的星球以我们还不了解的方式成为了宇宙中非常幸运的那一颗行星，而且比我们想象的更不寻常。无论我们未来的观测结果如何影响着我们的答案，我们将永远与我们脚下的地球有着独特的关系。
埃文・范・迪肖克：每次当我看着地球，我会想“哇，我们有这样一个美丽的星球，我们应该更加细心地呵护着它”地球是否是独一无二的？我们仍然无法回答这个问题。但是我们仍然值得明白，我们所处的星球，异常美丽。
保罗・巴特勒：从个人感情经历而言，我们是难以发现一颗美丽的星球的。对于人类而言，我们无法再寻找到另一颗像地球一样的邻居了。我们确实以各种可能的方式进化到这个星球。我知道很多人都梦想着进入太空，但是我真的没有兴趣进入太空。如果我有三四天的时间，没有更好的事情可做，我不介意躺在沙滩上。
作者：Adam Levy
翻译：wnkwef; *0
审校：利有攸往
原文链接：The search for exoplanets
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Adam Levy
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