• 圖：理想的“地球2.0”將是一顆地球大小、質(zhì)量相當(dāng)?shù)男行?，與一顆非常像我們自己的恒星之間的距離與地-日相似。我們還沒有找到這樣一個(gè)世界，但是我們正在努力估計(jì)銀河系中可能有多少這樣的行星。有這么多數(shù)據(jù)可供我們使用，令人費(fèi)解的是，不同的估計(jì)值有多大差異。

在整個(gè)宇宙中，可以看到數(shù)萬億個(gè)星系，每一個(gè)星系通常包含數(shù)十億個(gè)恒星。在地球上，生命不僅在某種程度上產(chǎn)生、繁衍、復(fù)雜和分化，而且在某種程度上是智能的、技術(shù)先進(jìn)的，甚至是航天的。但這些最新的發(fā)展——帶我們進(jìn)入太空和信息時(shí)代——是最近才出現(xiàn)的，太空是巨大的。如果一個(gè)外星文明看到了我們，從他們的角度來看，我們會(huì)顯得有趣嗎？

• 圖：八大行星的軌道在偏心率和近日點(diǎn)（最接近點(diǎn)）與遠(yuǎn)日點(diǎn)（最遠(yuǎn)距離）相對(duì)于太陽的差異上有所不同。為什么有些行星會(huì)或多或少地彼此偏心，這并沒有根本的原因；這只是太陽系形成的初始條件的結(jié)果。然而，對(duì)于水星這樣的內(nèi)行星來說，凌日的幾率要大得多，水星每年要經(jīng)歷4次這樣的凌日，而且與任何外行星相比，它有近2%的幾率能很好地對(duì)準(zhǔn)，而外行星凌日的時(shí)間要長(zhǎng)得多，對(duì)準(zhǔn)的幾率也要低得多。

在我們的太陽系中，地球是一個(gè)巖石行星，它有一個(gè)適合生命的大氣，環(huán)繞著我們的太陽，在我們稱之為“宜居區(qū)”的地方：在距離恒星一定距離的地方，液態(tài)水，在地球的大氣中，能夠穩(wěn)定地存在于行星表面?；鹦呛徒鹦且灿锌赡芪挥谶@一空間區(qū)域，但金星目前太熱，火星太冷（大氣層太?。?，地球上的生命無法在那里繁衍生息。

目前，我們發(fā)現(xiàn)太陽系外行星的兩種最有效的方法是：

1. 恒星擺動(dòng)法，即繞軌道運(yùn)行的行星拖拽其母恒星，使其沿著觀察者的視線擺動(dòng)，并使科學(xué)家能夠確定行星的周期和質(zhì)量（直至其軌道方向的不確定性），以及
2. 一種凌日方法，從外部觀測(cè)者的角度看，一顆繞軌道運(yùn)行的行星穿過其母星的表面，當(dāng)行星的圓盤擋住恒星的一部分光線時(shí)，周期性地導(dǎo)致母星變暗。

• 圖：開普勒系外行星KOI-64的主經(jīng)緯儀（L）和探測(cè)到位于母星（R）后面的系外行星。主要的磁通傾角是行星凌日最初是如何被發(fā)現(xiàn)的；額外的信息有助于科學(xué)家確定半徑和軌道周期以外的性質(zhì)。

如果一個(gè)足夠先進(jìn)的外星文明從很遠(yuǎn)的地方觀察地球，而我們恰好處在正確的方向，讓我們的世界從他們的角度穿過太陽的表面，那么他們就有足夠的理由，對(duì)發(fā)現(xiàn)我們世界有人居住抱有希望。

這是真的：光只能以某種有限的速度（光速）傳播，這意味著即使是最近的恒星，現(xiàn)在也只能從我們的行星接收幾年或幾十年前發(fā)出的信號(hào)。我們銀河系中更遙遠(yuǎn)的恒星在幾百年前或幾千年前就看到了地球，而遙遠(yuǎn)星系中的觀察者則認(rèn)為我們是幾百萬年甚至幾十億年前。盡管如此，即使在幾十億光年之外，也能發(fā)現(xiàn)我們星球上有人居住的跡象，因?yàn)槊慨?dāng)發(fā)生過境時(shí)，外星人可能會(huì)拍下地球大氣層的光譜。

• 圖：這是美國(guó)宇航局系外行星計(jì)劃中不同元素的一個(gè)例證，包括地面觀測(cè)站，如W.M.Keck觀測(cè)站，以及天基觀測(cè)站，如哈勃、斯皮策、開普勒、凌日系外行星觀測(cè)衛(wèi)星、詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡、廣域紅外觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡和未來任務(wù)。苔絲和詹姆斯韋伯的結(jié)合將揭示迄今為止最像月球的外衛(wèi)星，甚至可能在他們恒星的可居住區(qū)，而地面30米望遠(yuǎn)鏡，wfirst，以及可能下一代天基天文臺(tái)，如LUVOIR或HabEx，能真正找到人類夢(mèng)想已久的東西：太陽系以外的有人居住的世界。

當(dāng)?shù)厍蚪?jīng)過太陽前面（或任何行星經(jīng)過其母恒星前面）時(shí)，與之碰撞的星光：

• 地球表面被阻塞，導(dǎo)致磁通量下降，從而宣告了行星的存在，
• 沒有任何東西，完全錯(cuò)過的行星，只是從恒星向觀測(cè)者自由流動(dòng)，構(gòu)成了背景光，
• 主要通過地球的大氣層（但不是表面），大氣中的原子和分子將吸收光的一小部分。

被吸收的光會(huì)激發(fā)它們碰撞的原子或分子，這會(huì)導(dǎo)致大氣光譜中出現(xiàn)吸收或發(fā)射特征。在太陽系以外的行星大氣中，我們已經(jīng)利用這項(xiàng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了氫、氦等原子，甚至水等分子。

• 圖：當(dāng)一顆行星在它的母恒星前面運(yùn)行時(shí)，一些光不僅被阻擋，而且如果有大氣層存在，就會(huì)通過它過濾，產(chǎn)生一個(gè)足夠精密的天文臺(tái)能夠探測(cè)到的吸收或發(fā)射線。如果有有機(jī)分子或大量的分子氧，我們可能也能找到。在未來的某個(gè)時(shí)候。重要的是，我們不僅要考慮我們所知生命的特征，還要考慮我們?cè)诘厍蛏险也坏降目赡苌奶卣鳌?/li>

如果一個(gè)外星文明能夠在過去的20億到25億年中的任何時(shí)候觀測(cè)到我們的星球，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)星球，它的大氣層主要由氮?dú)鈽?gòu)成，但同時(shí)也含有大量的分子氧，水汽和氬氣將占大氣的1%左右，然后會(huì)有微量的二氧化碳、甲烷、臭氧和其他一些值得注意的化合物。

如果我們?cè)诹硪粋€(gè)世界而不是在我們自己的世界里發(fā)現(xiàn)這種氣體的組合，它將是一把永恒的“冒煙槍”。我們知道有一些無機(jī)途徑可以在行星上獲得大量氧氣，但如果沒有生命，達(dá)到5%或更高的水平似乎是極不可取的。在一個(gè)以氮為主的大氣中，氧氣的存在對(duì)生命更有利，因此如果地球?yàn)榱艘粋€(gè)外星文明而穿越太陽表面，我們將是一個(gè)非常有趣的世界，即使在恐龍時(shí)代。

• 圖：盡管地球整個(gè)歷史中不同大氣成分的確切比例不得而知，但在25億年前，大氣中存在大量甲烷，幾乎沒有氧氣。隨著氧氣的到來，甲烷被破壞，地球上最大的冰河時(shí)代開始了。然而，這些大氣變化是由生物過程驅(qū)動(dòng)的；探測(cè)到一個(gè)生物變化的大氣可能是我們發(fā)現(xiàn)太陽系以外的外星生命的第一個(gè)線索。

這是一種尋找潛在有人居住的星球的可靠方法，但它只適用于從外部遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者的角度偶然與母星對(duì)齊的行星。這就是未來的天文臺(tái)，如詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡或目前正在建造的30米地面望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃在離地球最近的行星上尋找潛在的生物信號(hào)。

然而，如果我們只使用過境技術(shù)，我們肯定會(huì)錯(cuò)過大多數(shù)有人居住的世界。如果這條路線偏離了一個(gè)很小的量——對(duì)地球這樣的行星來說，偏離了幾分之一度——那么這條路線根本不會(huì)發(fā)生，我們也就沒有辦法探測(cè)它的大氣成分。但我們還有希望，因?yàn)檫€有另一種技術(shù)不依賴于幸運(yùn)的對(duì)準(zhǔn)，可以通過技術(shù)上可預(yù)見的改進(jìn)，將其帶到我們的可觀測(cè)范圍內(nèi)：直接成像。

• 圖：這張來自哈勃望遠(yuǎn)鏡的可見光圖，顯示了新發(fā)現(xiàn)的北落師門B號(hào)行星圍繞其母星運(yùn)行。這是第一次在太陽系之外用可見光觀測(cè)到行星。然而，在直接成像方面，要發(fā)現(xiàn)一個(gè)系外衛(wèi)星外，需要更先進(jìn)的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，或者可以歸因于智能外星人的高級(jí)特征。

由于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（以及后來的地面自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)）的強(qiáng)大威力，我們已經(jīng)拍攝了第一張系外行星的直接圖像，甚至親眼目睹了它們圍繞其母恒星的軌道運(yùn)行。通過使用日冕儀或星影儀等儀器，我們可以阻擋母星（可能有人居住的行星軌道）的光線，只成像感興趣的行星。

僅僅從一個(gè)像素，如果我們?cè)敢饣ù罅康臅r(shí)間，等待和觀察遙遠(yuǎn)的世界，我們不僅可以判斷它是否有人居住，而且我們還可以尋找到一些，我們?cè)诘厍蛏习l(fā)現(xiàn)的有關(guān)該行星最引人注目的特征。通過拍攝行星的直接圖像并量化不同時(shí)間到達(dá)的各種波長(zhǎng)的光，我們可以了解一長(zhǎng)串通過拍攝行星的直接圖像并量化不同時(shí)間到達(dá)的各種波長(zhǎng)的光，我們可以了解許多關(guān)于該行星的屬性。

• 圖：早在20世紀(jì)20年代，星影概念就可以實(shí)現(xiàn)系外行星的直接成像。這幅概念圖展示了一臺(tái)使用星影的望遠(yuǎn)鏡，使我們能夠成像圍繞恒星運(yùn)行的行星，同時(shí)將恒星的光遮擋到100億分之一以上。

從短周期變化和反復(fù)出現(xiàn)的光譜特征，我們可以確定行星的軌道周期。

從行星的顏色，我們可以確定世界上有多少水被覆蓋在陸地與冰之間，并且如果存在的話，就可以探測(cè)到云層的存在。

（行星圍繞其母星進(jìn)行一次完整的旋轉(zhuǎn)），我們可以確定：

• 它的軌道性質(zhì)（從相位來看）
• 土地是否隨著季節(jié)的推移而重新變成綠色、棕色和綠色（從光度觀測(cè)來看）。
• 而且，有了足夠先進(jìn)的技術(shù)，我們甚至可以確定是否有任何類型的人工照明意外地照亮了行星的夜晚。

• 圖：這張夜間地球的合成圖像顯示了人工照明對(duì)我們的星球在不受陽光照射的部分的影響。這個(gè)圖像是基于1994和1995的數(shù)據(jù)構(gòu)建的，而介入的25年在地球上的夜晚創(chuàng)造了大約兩倍的光的增加。我們征服了黑夜，但付出了巨大的環(huán)境代價(jià)。有了足夠先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，外星文明就能探測(cè)到這些人造光，并推斷出地球上居住著智慧的“外星人”。

對(duì)于一個(gè)不到100光年遠(yuǎn)的觀測(cè)者來說，人工照明對(duì)于一個(gè)足夠大的望遠(yuǎn)鏡來說是可見的，并且經(jīng)過優(yōu)化可以看到這種微弱的光。人類通過人工照明征服了黑夜，這是一項(xiàng)驚人的科技?jí)雅e，但代價(jià)是：植物、動(dòng)物和其他生物已經(jīng)適應(yīng)了數(shù)十億年的進(jìn)化，失去了自然的黑暗。

然而，有一個(gè)我們通常不會(huì)考慮的好處：事實(shí)上，我們已經(jīng)修改了我們星球的自然外觀，這意味著一個(gè)足夠智能的外星物種觀察我們，可以推斷出一個(gè)改變行星的物種的存在。這不是穩(wěn)操勝券的事，但這樣的“簽名”是一個(gè)強(qiáng)烈的暗示，地球不僅有人居住，而且居住著一個(gè)聰明，技術(shù)先進(jìn)的物種。

• 左圖為DSCOVR-EPIC相機(jī)拍攝的地球圖像。對(duì)，同一張圖像的分辨率降低到3×3像素，類似于研究人員在未來的系外行星觀測(cè)中看到的情況。

如果沒有第二個(gè)宇宙中的生命的例子，我們只能推測(cè)在一個(gè)可能適宜居住的星球上產(chǎn)生生命的幾率是多少。銀河系中可能還有數(shù)十億個(gè)其他世界，它們現(xiàn)在就有生命，或者地球可能是唯一的一個(gè)。在銀河系的眾多行星上，可能有一個(gè)復(fù)雜的生命維持?jǐn)?shù)億年甚至數(shù)十億年，或者地球可能就是它。

最后，在我們的星系中可能有成千上萬的外星物種，或者人類可能是整個(gè)可見宇宙中最先進(jìn)的生物。直到我們找到第二個(gè)生命的例子，知道我們并不孤單，我們所能做的就是推測(cè)和限制那些不存在的東西。

• 圖：已知有四顆系外行星圍繞著HR 8799恒星運(yùn)行，它們的質(zhì)量都比木星大。這些行星都是通過7年的直接成像探測(cè)到的，這些行星的周期從幾十年到幾百年不等。在我們的太陽系中，內(nèi)行星圍繞恒星的旋轉(zhuǎn)速度更快，外行星的旋轉(zhuǎn)速度也更慢，正如引力定律所預(yù)測(cè)的那樣。有了下一代的望遠(yuǎn)鏡，比如JWST，GMT和ELT，我們也許能夠測(cè)量離我們最近的恒星周圍的類地行星或超類地行星。

我們從其他文明中尋找的同樣的信號(hào)——大氣信號(hào)、以特定方式演化的地表特征、衛(wèi)星和航天器，甚至像調(diào)頻無線電波這樣蓄意、信息豐富的信號(hào)——使我們自己的文明同樣（或更多）被先進(jìn)的外星生物探測(cè)到。即使在很遠(yuǎn)的地方，有人居住的行星也可以被辨認(rèn)出來，但是，只有那些與我們文明相接近或更高級(jí)的文明，才能察覺到一個(gè)有著先進(jìn)技術(shù)的生物居住的地球，才能探測(cè)到我們目前的文明狀態(tài)。

盡管宇宙中的大多數(shù)星系距離地球有幾十億光年，但在遠(yuǎn)離地球幾百光年內(nèi)有數(shù)百萬顆恒星。這意味著數(shù)以百萬計(jì)的行星，數(shù)以百萬計(jì)的生命機(jī)會(huì)，甚至數(shù)以百萬計(jì)的智能外星人的可能性。如果附近有這樣的一個(gè)行星世界，即使相隔巨大的宇宙距離，也不會(huì)阻止我們找到它們，就像它們有能力發(fā)現(xiàn)我們一樣。

光速可能是一個(gè)限制因素，但只要有足夠的時(shí)間，人類的影響就會(huì)對(duì)居住在600多億星系中的任一星系的任何人可見。這可能不利于最快的對(duì)話，但是在地球之外發(fā)現(xiàn)一個(gè)外星生命的例子，將永遠(yuǎn)改變我們的生存觀。