播客：不久前，科學家們證實了太陽並非獨一無二——其他恆星也擁有自己的行星。這是一項歷經幾個世紀的發現，而它又會對如今的地球和我們在宇宙中的位置意味着什麼呢？
還未走出太陽系
我們的世界——地球——對我們來說意味着一切。它的大小、到太陽的距離和太陽本身都恰到好處地能夠形成液態水，孕育像我們這樣的生命。然而，近幾十年，甚至近幾個世紀以來，科學家和哲學家們都在仰望星空，詢問着自己同樣的問題：地球究竟有多麼特別？這些是否特性很罕見，甚至獨一無二？或者說，在浩瀚的宇宙中，這樣的星球其實並不稀有？
在過去的幾十年里，我們一直在探索我們在宇宙中的位置。在每一次轉折中，研究人員都會發現新的驚喜。
傑克-利索爾："對於行星探索，有一個總的主題，那就是多樣性。當我們觀察時，一切都比預想的更加多樣化"。
這是美國宇航局艾姆斯研究中心的太空科學家傑克-利索爾。他親眼目睹了研究人員是如何發現這些細節和多樣性的。你看，如果我們把時間退回到50年前，那時候已知行星的數量和過去的幾個世紀相比其實並沒有太大的變化。
太陽系中的行星分為三類：氣態巨行星（木星和土星）、冰態巨行星（天王星和海王星）以及岩質行星（水星、金星、火星，當然還有地球）。
這是 1971 年發表在《天文學和天體物理學年度評論》上的一篇題為《火星和金星的大氣層》的評論中的一段話。地球與它的兩個鄰居到底有多大的不同，以及為什麼不同，這在當時是一個非常開放的問題。
傑克-利索爾："我認為，在 20 世紀中葉，仍然有人認為火星可能非常像地球。這個觀點在 20 世紀初非常流行。"
隨着時間的推移，我們對太陽系中的行星進行了更詳細的研究。20 世紀 70 年代，蘇聯和美國的大量登陸器爭相登陸我們的鄰居金星和火星。1977 年發射的旅行者號探測器訪問了太陽系的四顆外行星。每一次任務都為太陽系的拼圖提供了更多的碎片，揭示了行星是由什麼構成的，它們有多像和不像，以及它們——乃至整個太陽系——是如何和何時形成的。
荷蘭萊頓大學（Leiden University）的天體物理學家埃文·范·迪肖克（Ewine van Dishoeck）是（《天文學和天體物理學年度評論》）的聯合編輯。她見證了我們對火星、金星和地球的認識是如何隨着時間的推移而演變的：
埃文·范·迪肖克: “也許它們的誕生方式非常相似，但我們了解到——在之後的45億年中，它們的演變方式大相徑庭。這就是地球現在是宇宙中獨一無二星球的原因。金星和火星可能一開始有相近的含水量，但它們的演化卻截然不同。”
這樣說來，地球可能並沒那麼特別：其他行星可能也一開始就有水存在，我們的行星——地球，只是因為與太陽的距離特殊，恰逢其他一些關鍵因素，因此稍微幸運了一些。但實際上，有一些非常重要的因素使得地球與眾不同。
保羅·巴特勒: “當然，關於地球最特別的一點是它孕育了我們——生命。”
保羅·巴特勒，是卡內基科學研究所的一員。在20世紀70年代，地球既普通又特殊，普通在它只是另一個類地行星；特殊點在於——它是我們所知的宇宙中唯一的生命之家。但是這一觀點有一個重要的限制。幾十年前，我們只知道一個被行星環繞的恆星——太陽。這意味着，正如1971年的一篇評論所解釋的那樣：
但是，在宇宙的背景下討論地球是否特殊並不能僅僅局限於地球在太陽系中的位置。人們正在進行一項任務，即：探索其他恆星是否真的擁有自己的行星，以及分析這些行星的特點。
埃文·范·迪肖克: “我想，當時肯定有很多關於其他行星系統的猜測。現在是否有像地球那樣獨特的行星是頗有價值的問題，兩種觀點都曾有人提出過。”
事實上，早在幾百年前就有人提出在太陽系之外存在行星這個觀點。1584年，意大利哲學家喬爾達諾·布魯諾就認為：
系外行星
哥白尼的異端觀點可能導致了他在16年後被處決。300年後的18世紀和19世紀，人們似乎一個接一個地“發現”了外行星。例如，早在1855年，就有人通過觀察到一對相互圍繞的恆星的運動異常來推測存在系外行星。
20世紀，關於新行星的報道增加了，但是隨即又出現了一個問題。
傑克·利索爾（Jack Lissauer）：“在60年代和80年代初，有關首次發現系外行星的新聞登上了頭條。這些新聞都聲稱他們報道的行星是人類首次發現的系外行星，但是他們都聲稱自己是首次發現一定是不對的。”
實際上，隨着更多證據的出現，幾乎所有這些報道的“首次發現”都被證偽了。
像我們剛認識的傑克·利索爾這樣的一些研究人員，並不想一直等待直到一個被證實的發現最終出現。相反，他們致力於提出理論來展示可能存在的情況。在他1993年發表的一篇名為“行星形成”的綜述中，傑克指出：
“我們只對一個行星系統有着確切的了解——那就是我們所生活的太陽系。所以，目前來說，理論模型為我們提供了最佳的手段來估測我們所在的銀河系中行星系統的豐富度和多樣性......”
當然，只有一個太陽系和一些關於年輕恆星周圍物質盤的證據，這樣的研究充滿了推測。現在回頭看，傑克發現研究工作的局限性。
傑克·利索爾：“如果人們做出了詳細的預測，結果往往不盡如人意，但總的來說，我們基本上還是朝對的方向努力的。”
與此同時，保羅則對早期關於形成我們太陽系之外行星的理論工作的評價毫不客氣。
保羅·巴特勒：“每個行星形成的理論都有一個共同點，那就是它們都差得離譜，簡直毫不相干。我們當時被局限困住了。”
但是在1993年，這些模型無從驗證。人們希望能通過實際觀察其他行星系統來“最終”獲得更多的限制條件。
“最終”這個詞在那個時候聽起來似乎還遙不可及。畢竟，要觀測到外行星，需要許多技術上的突破。天文學家需要靈敏的光譜學技術來探測恆星微小的運動，這樣才能顯示出有行星的引力在影響它的運動。同時，他們還需要強大的計算能力和存儲空間來處理這些數據。
第一個系外行星的發現
兩年後，到1995年，有一個宣布發現了第一個類似太陽的恆星周圍的外行星。這顆奇異的候選行星的特徵又是很古怪——它似乎質量接近木星，但不同於距離太陽很遠的木星，這顆星在近距離圍繞着恆星旋轉，大約四天繞行一周。
保羅·巴特勒：“大多數人都認為那是錯誤的，因為首先，直到那時所有宣稱找到系外行星的聲明都是假的。其次，所有人都知道在每四天為一周期的軌道上不可能有一顆像木星那樣的行星，這種想法非常荒唐。當時我們在接下來的一周恰巧有四晚能夠在望遠鏡上進行觀測。我們帶着懷疑的態度過去，認為不可能看到結果。在那四天結束後，我們對着結果感到震驚，那些數據完全正確。這樣的事情真的存在，它具有一個四天周期的軌道，他們真的完成了一項壯舉。這個消息很快傳遍了全世界。在隨後的三四天里，我們的電話響個不停。《紐約時報》《華盛頓郵報》，還有各種科學雜誌都在不停地聯繫我們。”
來自媒體鋪天蓋地的報道壓的令人喘不過氣來。但是這也可以理解，因為這是人類第一次對另一個地外星系的報道。1995年10月20號《紐約時報》這樣進行報道：
如果這些發現得到了進一步的研究證實，那麼這些發現將會產生深遠的哲學上和科學上的影響。人們對於太陽系是獨一無二的存在這一種認識將會不攻自破，並且存在其他地外星系的可能性意味着宇宙內更有可能存在其它外星生命——也許是智慧生命。
但是並非所有人都是如此的興奮。事實上，埃文記得當時學術界對這個實驗的反應完全不同。
埃文·范·迪肖克：當然，這完全在情理之中。當然，它奇怪的軌道讓這顆行星的成分和結構令人驚訝。但是我認為所有人都在等待這一個結果。某種程度上來說，人們對系外行星的探索有太多的負面結果，就好像是“這是怎麼了？出了什麼問題？我們到底哪裡出現了錯誤？為什麼我們看不到這些系外行星？”現在的這一實驗結果讓我們如釋重負，我們終於找到這些系外行星了。
不管是如釋重負還是啟示之錄，這是第一次人類得以窺見系外行星，也得以明白宇宙的其他行星和我們身邊的太陽系中的其他行星是存在如此巨大的差異。雖然一些行星科學家已經考慮過如此巨大的行星在如此接近其恆星的軌道上運行的可能性，但這肯定不是尋找地外行星的重點。
傑克·利索爾：這也是為什麼發現這個地外星系花了科學家們如此長的時間，因為科學家們正在尋找與我們的太陽系更相似的東西。也許是更近一點的“木星”，或者質量更大一點，或者類似的東西。
在接下來的這幾個月里，更多這些所謂的“熱木星”被科學家們所發現，這表明這種看似非凡的行星實際上是多麼普遍。保羅——我們剛才聽到他描述了他對第一顆系外行星的驗證——發現了下一顆系外行星。1998年，他在《天文學和天體物理學年度評論》上合作發表了一篇評論，詳細介紹了首批被發現的八顆行星。這篇題為《太陽系外巨行星的探測》的綜述也詳細回憶了這項研究的歷程。
這篇綜述這樣寫道：
也就是說，這些巨型行星以及它們所運轉的微小軌道進一步完善了哥白尼的宇宙模型：也就是說，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
但是研究未盡於此。畢竟，目前為止發現的所有行星都讓人想起太陽系中最大的行星：木星——一顆巨型的氣態行星。所以，目前的問題是：天文學家能追蹤到另一顆類似地球的系外行星嗎？在保羅詳細介紹前八顆系外行星發現的同一期的另一篇文章中，這篇題為“天文搜索類地行星和生命跡象”的綜述詳細介紹了目前科學家們還有多少工作要做：
這項研究要求數年的工作、新的望遠鏡、新的工具和技術。但是即便在1998年，這些目標仍然猶在天邊。
隨着技術的發展和時代的進步，天文學家更有能力發現系外類太陽系星系了。第一顆系外行星是天文學家們通過觀察行星的主星擺動發現的，這一現象也揭示了行星的微小引力拖曳。但與此同時，越來越多的天文學家報道了行星在穿過恆星前方時，恆星的光線略微變暗的現象。這些方法的結合使科學家在2009年報道了第一顆可能為岩石行星的發現。同年，一個專門為尋找系外行星的衛星發射升空。這架開普勒太空望遠鏡的運行使天文學家們能夠以前所未有的頻率觀測恆星的亮度。
傑克·利索爾：我們發展出了一片新的學科領域，並且這門學科領域從1995年的一無所有發展成為天文學的幾大主要內容之一。沒有人能夠預測到這個領域能夠以如此迅速的速度成長為如今的規模。
伴隨着眾多新發現的系外行星，科學家們也發現越來越多意料之外的星系。例如，具有極致偏心軌道的行星，這種行星與我們地球近乎圓形的行星軌跡截然不同。亦或是，圍繞兩顆恆星而非一顆恆星運行的行星。還有，那些在大小上讓人聯想到地球的行星，但這些行星的軌道距離更近，或者圍繞在更小的恆星周圍運行。
埃文·范·迪肖克：如果回看我們發現系外行星的發現歷史，我認為我們缺乏一點點想象力。我認為我們現在知道了宇宙還有很多其他各式各樣我們難以想象的星系。以及其他各種各樣行星。
保羅——一位參與了發現數以千計的星球的天文學家——樂於發現所有的這些驚喜。
保羅·巴特勒：這個過程的有趣之處在於，理論家們的每一步都錯了。在發現新行星的每一個過程中，觀測的結果都讓理論家們發瘋了。不過作為一個觀測者，這基本上是最好的結果。
天文學家們一直在尋求儘可能多地了解這些行星。目前科學家們預測系外行星的大小和質量的研究並不少見。但鑒於離太陽系最近的系外行星與地球之間的距離大約是地球和火星之間距離的70萬倍，因此系外行星的其他細節很難被觀測到。但是，天文學家發現了這些行星的有趣特徵。這些特徵包括從行星的火山活動到軌道衛星。天文學家們將人類能收集到的少量信息拼湊在一起，可以幫助天文學家回答最有趣的問題之一：這些系外行星中是否存在生命。
保羅·巴特勒：除非外星人對人類異常善良，並且向人類發送出他們的電視節目或是大英百科全書的內容或是隨便什麼廣播的內容，否則人類是不會輕易接觸到地外生命的。
目前未知我們還沒有捕獲到這樣的電磁波信號，儘管我們仍然在苦苦追尋着它們。為了更進一步主動地尋找到地外生命，系外行星天文學家正在尋找他們所希望的最佳證據：系外行星的大氣層。
這段話引用自2010年的一篇綜述文章，文章標題就是簡單的“系外行星大氣層”。這篇文章發表在《天文學和天體物理學年度評論》上。
“熱木星”的研究佔據了大氣科學研究的絕大部分......
儘管這些“熱木星”並沒有孕育生命的可能性，這些文章同樣在探索怎樣的大氣環境能夠更有可能存在地外生命。文章詳細分析了地球大氣環境中對孕育生命有利的因素，天文學家們正希望在系外行星中尋找這些利於生命孕育的大氣層。
目前，天文學家們仍然只能初步分析確認他們已經觀測到的岩類行星的大氣層。許多人寄希望於新一代的望遠鏡來打開觀察這些遙遠世界的窗戶。
埃文·范·迪肖克：我認為對行星大氣層的研究一定是尋找系外行星的下一個熱點。現在我們能夠在統計上探明了這些行星的數量和行星的種類。但是，現在我們非常需要對這些行星進行進一步觀測，此外，這些大氣在提供行星是否宜居的信息的同時也提供了關於行星形成的信息。
自從第一顆系外行星被發現以來的二十五年里，這個領域得到了飛速發展。隨着越來越多的新行星的發現以及更為細節信息的獲取，現在科學家們似乎對第一個問題有了非常明確的答案：地球有多特別？或是，你認為地球有多特別？
埃文·范·迪肖克：地球有多特別或是獨一無二，仍然是一個未解之謎。我們當然明白宇宙中肯定存在其他的類地行星，我們同樣明白宇宙中的這些類地行星所處在的軌道位置正好適合液態水的存在。但是我不認為當我們面對的是類似於太陽的其它恆星時，我們能夠得到確切的答案。
傑克·利索爾：人類難以得到這些結果的原因是，這些行星極難被發現。如果我們需要估計類地行星的大小和軌道周期有哪些共同之處，我們必須根據我們擁有的數據進行推斷。
對圍繞恆星運轉系外行星的尺寸和軌道的形似之處進行推斷依賴於科學的假設。並且，考慮到系外行星的行為經常無法被研究人員準確預計，這些假設也可能是錯誤的，或者是錯位的。新技術的發展對發現新行星及行星的隱性特徵至關重要，也對揭示地球到底有多獨特至關重要。
埃文·范·迪肖克：我認為我們在研究其他行星所取得的成果也只是冰山的一腳。因此，所有這些問題現在都到了我們實際上擁有技術才能開始回答它們的階段。這還需要相當長的時間，可能還需要幾十年的時間，我們才能回答一部分問題。但至少我們是擁有能夠研究這些問題所需要的技術的第一代科學家們，因此我們可以開始回答其中一些非常基本的問題。
同時，正當我們已經在過去的半個多世紀里走過了相當長的歷程——來研究系外行星、我們的鄰居行星以及太陽系——這些問題所涉及的維度也變得非常廣。
傑克·利索爾：我們目前對系外行星的了解不甚於我們在50年前對於我們太陽系內行星的了解。
儘管目前在研究行星的過程中仍然存在許多還未完成的任務，但是對於保羅而言，目前下一個研究目標已經非常明顯了。
保羅·巴特勒：這個研究目標就是尋找第二個地球。當然，還有一個價值600億美元的問題：這些星球能否孕育生命嗎？生命是常見的還是罕見的？
那麼地球在宇宙中到底以樣的地位存在着？地球有多特別？在過去的半個世紀里，我們已經向我們的鄰居發射了探測器，並瞥見了遙遠恆星周圍的數千顆行星。這些結果表明，宇宙中的行星是各式各樣的，並暗示宇宙中可能不僅有一個，而是無數個類地行星。又或者，也許我們的星球以我們還不了解的方式成為了宇宙中非常幸運的那一顆行星，而且比我們想象的更不尋常。無論我們未來的觀測結果如何影響着我們的答案，我們將永遠與我們腳下的地球有着獨特的關係。
埃文·范·迪肖克：每次當我看着地球，我會想“哇，我們有這樣一個美麗的星球，我們應該更加細心地呵護着它”地球是否是獨一無二的？我們仍然無法回答這個問題。但是我們仍然值得明白，我們所處的星球，異常美麗。
保羅·巴特勒：從個人感情經歷而言，我們是難以發現一顆美麗的星球的。對於人類而言，我們無法再尋找到另一顆像地球一樣的鄰居了。我們確實以各種可能的方式進化到這個星球。我知道很多人都夢想着進入太空，但是我真的沒有興趣進入太空。如果我有三四天的時間，沒有更好的事情可做，我不介意躺在沙灘上。
作者：Adam Levy
翻譯：wnkwef; *0
審校：利有攸往
原文鏈接：The search for exoplanets
編輯：利有攸往
翻譯內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
