當時在場的人，從經驗最豐富的天體物理學家到最缺乏經驗的科學記者，都不太可能忘記1996年1月在德克薩斯州聖安東尼奧舉行的美國天文學會冬季會議上的新聞釋出會。正是在那裡，當時在舊金山州立大學的觀測員傑弗裡·W·馬西宣佈，他和他的觀測夥伴，當時在加州大學伯克利分校的R·保羅·巴特勒，發現了有史以來第二顆和第三顆繞類太陽恆星執行的行星。第一顆這樣的行星，飛馬座51 b，是由日內瓦大學的米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲在幾個月前宣佈的——但單次探測可能只是僥倖，甚至是錯誤。現在馬西能夠自信地說，兩者都不是。“行星，”他告訴人群，“畢竟並不罕見。”
這一宣佈震驚了天文學界。幾乎沒有人一直在尋找行星，因為科學家們確信它們太難找到了。現在，在僅僅搜尋了少數恆星之後，天文學家們就發現了三個世界，暗示還有數十億個世界等待被發現。
如果巴特勒和馬西僅僅解決了一個關於行星形成理論的問題，他們的發現就不會如此轟動。但它明確地表明，所謂的太陽系外行星確實存在，並隨之而來，有可能回答一個自古希臘時代以來就困擾著哲學家、科學家和神學家的問題：在宇宙中我們是孤獨的嗎？
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在最初的慶祝之後，科學家們開始著手弄清楚他們將如何調查在繞外星太陽執行的行星上存在甚至是最基本生命形式的可能性。除了接收到外星廣播，就像電影《超時空接觸》中的朱迪·福斯特那樣，唯一的方法就是搜尋太陽系外行星的大氣生物特徵——高活性分子（如氧氣）的證據，除非某種代謝生物正在補充供應，否則這些分子會迅速消失。
馬西、麥耶和他們的同事只看到了行星對其母星的引力影響；要探測到生物特徵，您需要直接對系外大氣層成像。為了做到這一點，美國宇航局計劃發射一系列越來越強大的太空望遠鏡，該計劃最終將達到頂峰，即一顆名為“陸地行星探測器干涉儀”的軌道望遠鏡，它將耗資數十億美元，並在2020年代的某個時候發射升空。簡而言之，天文學家們知道，他們不會很快了解關於系外行星大氣層的任何資訊。
他們錯了。最初發現的那些系外行星激發了整整一代年輕科學家投身於突然成為天體物理學中最熱門的專業的領域。它說服了許多年長的同事也轉向系外行星學。這種突然湧入的智力導致了調查系外行星大氣層的新想法，並大大加快了事情的進展。到2001年，觀測者已經在其中一顆系外行星的大氣層中識別出了鈉。從那時起，他們還識別出了甲烷、二氧化碳、一氧化碳和水。他們甚至透過檢查系外行星的大氣層，間接暗示了一些行星可能部分由純鑽石構成。“在這一點上，”加州理工學院的天體物理學家希瑟·克努森說，她參與了許多這些開創性的觀測，“我們已經瞭解了大約30到50顆行星的大氣層——如果你算上那些尚未發表的東西。”
這些發現離提供生命證據還很遙遠——這並不奇怪，因為克努森所說的世界大多是炙熱的、類木星的行星，它們比火熱的水星更緊密地圍繞著它們的恆星執行。然而，克努森和其他觀測者越來越多地開始探測較小行星的大氣層，即所謂的超級地球，它們的質量是我們地球的兩到十倍——這是十年前沒有人能想象到的。今年四月，開普勒太空望遠鏡宣佈發現了兩顆小於地球兩倍大小的行星，這兩顆行星都位於溫度可能允許生命生存的軌道上，這進一步暗示了適宜生命居住的世界幾乎肯定很豐富。因此，雖然這些名為開普勒62e和62f的行星距離太遠，無法進行詳細研究，但天文學家們確信，用不了幾年，觀測者就可以在基本上是地球雙胞胎的行星的大氣層中尋找生物特徵。
停車場行星
天文學家們認為，開始觀察行星大氣層需要幾十年時間，因為最初發現的少數系外行星是間接的，是透過每顆行星對其母星的影響。行星本身是不可見的，但由於每顆恆星和行星都圍繞著一個共同的重心執行，行星的引力拖拽使得恆星看起來在原地擺動。當恆星向我們移動時，它的光會微妙地向可見光譜的藍色端移動；當它遠離時，光會向紅色移動。移動的程度告訴觀測者恆星的徑向速度，或者它朝向和遠離地球的速度有多快，這反過來又告訴我們系外行星的質量有多大。
然而，另一種尋找行星的選擇也可用。如果從地球上看，這顆不可見行星的軌道是完全側向的，那麼這顆行星將直接從其恆星前方經過，這就是所謂的凌星。然而，在近二十年前最初發現這些行星時，幾乎沒有天體物理學家考慮過凌星，僅僅是因為尋找行星本身就非常邊緣化。（一個值得注意的例外是美國宇航局艾姆斯研究中心的威廉·J·博魯奇，他的開普勒宇宙飛船最終將發現數千個凌星天體。）
幾年後，在1999年，當時在國家大氣研究中心的蒂莫西·W·布朗和當時在哈佛大學的研究生大衛·查博諾，在科羅拉多州博爾德市的一個停車場裡架設了一架小型業餘望遠鏡，並首次看到了系外行星凌星。這顆行星是HD 209458b，它早先是透過徑向速度技術探測到的。幾周後，田納西州立大學的格雷戈裡·W·亨利與馬西合作，觀測到了同一顆行星凌星其恆星。這兩個團隊因同時發表這兩項探測而獲得了同等的榮譽。
成功探測到凌星不僅為天文學家提供了第二種尋找系外行星的方法，而且還為他們提供了一種測量其密度的方法。徑向速度技術揭示了HD 209458b的質量。現在天文學家們知道它的物理尺寸有多大，因為行星阻擋的星光量與其尺寸成正比。（用它的質量除以它的尺寸表明HD 209458b比木星大38%，儘管它的質量只有木星的71%，這是一個出乎意料的結果，普林斯頓大學天體物理學家亞當·伯羅斯稱之為“一個持續存在的問題需要解釋。”）
到這時，許多天體物理學家已經意識到，凌星也使得研究系外行星的大氣層成為可能，克努森稱之為“非常聰明的捷徑”。事實上，甚至在第一次凌星被報道之前，麻省理工學院的天體物理學家薩拉·西格，當時是查博諾在哈佛的同班研究生，就與她的導師迪米塔·D·薩塞洛夫合著了一篇論文，他們在論文中預測了當來自恆星的光穿過行星大氣層時，當行星穿過恆星表面時，觀測者應該看到什麼[參見迪米塔·D·薩塞洛夫和戴安娜·瓦倫西亞撰寫的《我們可以稱之為家園的行星》；《大眾科學》，2010年8月]。物理學家早就知道，不同的原子和分子在不同的波長下吸收光。如果你在與你要尋找的分子相對應的波長下觀察行星，任何含有該分子的大氣層都會吸收光。稀薄的行星大氣層將變得不透明，使行星看起來更大。
西格和薩塞洛夫認為，鈉將特別容易探測到。“鈉就像臭鼬氣味，”查博諾說。“一點點就足夠了。”他比任何人都更清楚這一點：2001年，查博諾、布朗和他們的同事回到了HD 209458b，他們最初的凌星行星，但不是用一架微不足道的業餘望遠鏡，而是用哈勃太空望遠鏡。果然，鈉訊號就在那裡，正如預測的那樣。
日全食
天文學家們也意識到，還有第二種互補的方式來檢查凌星行星的大氣層。當行星從恆星前方經過時，它會向觀測者展示它的夜晚面。在其他時候，它至少會展示部分白天面，就在行星移動到恆星背後之前，白天面正對著地球。儘管恆星非常非常明亮，但行星本身也會發光，主要是在紅外線中。
然而，當行星移動到恆星背後時，這種光芒會突然消失；它對行星和恆星的組合光的貢獻消失了。如果天體物理學家可以進行前後比較，他們就可以推斷出行星單獨看起來會是什麼樣子[參見對頁上的方框]。克努森說：“這改變了問題的性質。”“您不必探測非常微弱的東西靠近非常明亮的東西，您所要做的就是測量隨時間變化的訊號。”早在2001年，當時在美國宇航局戈達德太空飛行中心的L·德雷克·德明就將夏威夷莫納克亞山上的紅外望遠鏡對準HD 209458b，試圖看到所謂的二次日食，但他說，他無法進行探測。
然而，他知道計劃於2003年發射的斯皮策太空望遠鏡幾乎肯定能夠進行這樣的觀測，查博諾也是如此。這兩位天體物理學家在彼此不知情的情況下，都申請了斯皮策的時間來進行觀測。兩人都獲得了時間並獲取了資料。然後，在2005年初的一天，德明回憶說，他收到了一條語音留言：“德雷克，我是哈佛大學的戴夫·查博諾，”聲音說。“我聽說你最近做了一些有趣的觀測。也許我們應該談談。”
事實證明，德明（與西格合作）和查博諾幾乎在同一時間，使用同一個天文臺，獨立地進行了歷史上首次二次日食探測。這兩個小組同時宣佈了他們對兩顆不同恆星的結果——德明案例中經過多次研究的HD 209458b和查博諾案例中名為TrES-1的行星。一年後，德明的團隊探測到了一顆名為HD 189733b的行星的二次日食。西格和德明在2010年的一篇評論文章中寫道：“這引發了使用斯皮策進行二次日食觀測探測的浪潮……可以準確地說，沒有人預料到斯皮策太空望遠鏡作為開發系外行星大氣層研究領域的工具的全部規模和驚人影響。”事實上，西格說，“我們正在以他們從未設計過的方式使用哈勃和斯皮策，達到了他們從未設計過的精確度。”
大氣層層
西格說，這些研究表明了一些事情。“這聽起來可能有點老生常談，但我們已經瞭解到，熱木星是熱的。我們已經測量了它們的亮度和溫度，”科學家們觀察到的結果與他們期望的恆星加熱行星的方式是一致的。“第二，”她繼續說道，“我們已經探測到了分子。現在[我們發現的]與我們預期的非常不同嗎？你知道，其實不然。”西格指出，物理學家可以簡單地模擬一個由某種元素組合在一定溫度下組成的氣體球，並詢問會形成什麼樣的分子。“物理和化學定律是普遍適用的，”她說。
然而，西格和其他天體物理學家也瞭解到，儘管系外行星的大氣層總體相似，但各個行星在幾個方面可能存在差異。其中一個方面與溫度如何隨高度變化有關。我們太陽系中的一些行星，如木星和土星，表現出溫度反轉，其中溫度隨高度升高而升高，而不是下降。另一些行星則沒有。“問題在於，”克努森說，“我們不知道是什麼原因導致了反轉，因此我們無法預測哪些系外行星會具有這種特徵，哪些不會。”一些天體物理學家認為，具有反轉的系外行星可能具有某種吸熱分子，例如氧化鈦，但到目前為止這只是一個假設。
另一個問題是，某些行星大氣層是否由與其他行星不同分子的混合物構成。現在在耶魯大學的尼庫·馬杜蘇丹分析了一顆名為WASP-12b的行星的可見光和紅外線特徵，並推斷出它的大氣層異常富含碳，其中碳元素與氧元素大致相當。
理論表明，如果碳氧比超過0.8，並且在同一系統中的其他較小行星中也反映出來（正如人們推測的那樣，因為太陽系中的行星被認為是從單一的氣體和塵埃盤中凝聚而成的），將導致“岩石”由碳化物（富碳礦物）而不是我們太陽系中發現的富矽酸鹽岩石構成。如果這是真的，那麼WASP-12系統中的一顆地球大小的行星可能會有由鑽石構成的大陸。
西格和其他人撰寫了理論論文，表明沒有什麼可以排除主要由碳甚至鐵構成的行星。然而，就WASP-12而言，這可能是不正確的。克努森說，德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的伊恩·克羅斯菲爾德最近發現，來自WASP-12的光被來自背景中一顆較暗的雙星的光汙染了。“他的資料似乎對這顆特定行星的解釋提出了一些疑問，”克努森說。
水世界
到目前為止，觀測最集中的焦點一直集中在一顆名為GJ 1214b的行星上，它圍繞著一顆小型紅色“M矮星”執行，距離地球約40光年。它的接近使得GJ 1214b相對容易研究，而它的大小僅為地球寬度的2.7倍，使得它比行星搜尋最初幾年發現的熱木星更接近類地行星。“它是每個人最喜歡的超級地球，”芝加哥大學的研究生勞拉·克雷德伯格說，她正在領導一個觀測專案的資料分析。
GJ 1214b是在2009年由查博諾組織的所謂MEarth專案中發現的，該專案旨在尋找M矮星周圍的行星。這個想法是，圍繞這些小型、昏暗的恆星，比圍繞較大的恆星更容易找到小型凌星行星，原因有幾個。首先，一顆地球大小的行星會阻擋相對較大比例的小恆星的光。這樣一顆行星也會對恆星施加相對較大的引力，從而更容易衡量行星的質量，進而衡量其密度。一顆小型、低溫恆星的宜居帶也比一顆炙熱的類太陽恆星的宜居帶更近，這使得凌星更有可能被發現（因為近距離行星的軌道不必如此精確地對齊才能從恆星前方經過）。最後，銀河系中的M矮星數量遠遠多於類太陽恆星——大約有250顆前者位於地球30光年左右的範圍內，而後者只有20顆。
GJ 1214b並不完全是第二個地球：它的寬度是地球的2.7倍，質量是地球的六倍半，這使得它的整體密度介於地球和海王星之間。不幸的是，正如查博諾和其他人在行星被發現後立即意識到的那樣，這種密度可以通過幾種不同的方式實現。例如，GJ 1214b可能有一個小的岩石核心，周圍環繞著主要由氫氣組成的大氣層。它也可能有一個更大的核心，周圍環繞著深海，頂部有一個薄薄的、富含水蒸氣的大氣層。僅僅根據密度，不可能區分這兩種可能性——儘管海洋世界的可能性自然更令人興奮，因為液態水被認為是生命的先決條件，即使不是生命的保證（就我們所知）。
然而，當芝加哥大學天文學家雅各布·比恩在不同波長下觀測這顆行星時，希望看到其視尺寸的變化，這將表明大氣層的厚度，但他什麼也沒看到。這可能意味著兩種情況之一。這顆行星可能有一個蓬鬆的氫氣大氣層，但充滿了雲和霧霾，這將使其難以探測。或者它可能有一個薄薄的、含水的大氣層，但太薄了，無法用地面望遠鏡描繪出來。克雷德伯格說，這種情況可能類似於從遠處觀看山脈，她去年開始與比恩合作。“可能存在山峰，”她解釋說，“但如果你離得太遠，它們可能看起來像一條直線。”
為了試圖解決這個問題，比恩和他的同事獲得了哈勃望遠鏡的60個軌道時間；他們已經開始進行觀測。這並不是天文學家第一次用哈勃望遠鏡觀測GJ 1214b，但這是迄今為止最密集的計劃，它將利用新的、功能強大的廣域相機3，該相機在2009年5月望遠鏡的最後一次維修任務中安裝。如果運氣好的話，這次觀測活動最終將解決GJ 1214b是否是水世界的問題。
尋找氧氣
現在天文學家已經在行星搜尋業務中工作了一段時間，他們已經開始發現更多軌道週期較長的行星。這些行星離它們的恆星更遠，因此比早期發現的熱木星更冷。“長期以來，我們侷限於那些溫度為1500開爾文、2000開爾文的東西，所以真的非常熱，”加州理工學院的克努森說。在這些條件下，“大氣層中的大部分碳與氧結合，形成一氧化碳，”她說。“當你降到大約1000開爾文以下時，真正有趣的事情是它轉變為摻入甲烷。”
甲烷特別有趣，因為它可能是生物活動的跡象——儘管這是一個模稜兩可的跡象，因為甲烷可以透過純粹的地球物理過程產生。氧氣——尤其是臭氧，一種由三個氧原子組成的高活性分子——更有可能發出生命存在的訊號。探測它也極其困難，因為它的光譜特徵很微妙，尤其是在地球大小的行星相對較小的大氣層中。
然而，儘管圍繞中等溫度的超級地球開展瞭如此多的活動，天文學家們仍然專注於大獎。“所有這些實際上只是一種練習，”西格說。“我的意思是，它本身就很有趣，但對於像我這樣的人來說，這只是一個墊腳石，直到我們最終從超級地球過渡到研究地球的大氣層。”
在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發射升空之前，這種情況不太可能發生，可能在2018年，以及新一代大型地面儀器，包括巨型麥哲倫望遠鏡和三十米望遠鏡，將在2020年左右投入使用。西格說，即使有了這些強大的儀器，“也需要數百數百小時”的觀測時間。即使那樣，是否有可能明確地探測到生命的跡象尚不清楚；為此，觀測者可能仍然需要陸地行星探測器，但其資金已被大幅削減，以至於對實際發射日期的任何希望都純屬猜測。
然而，值得注意的是，比任何人都在1990年代夢想的時間表超前如此之多，西格甚至可以談論尋找生物特徵的現實前景。我們不再僅僅希望外星文明會發現我們並向我們傳送資訊。我們正在積極探索遙遠世界上的空氣，搜尋它們的天空，尋找有生命跡象的跡象。