任何當時在場的人，從經驗最豐富的天體物理學家到最沒有經驗的科學記者，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51b，是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，事實並非如此。“行星，”他告訴人群，“畢竟並不罕見。”
這一宣佈震撼了天文學界。幾乎沒有人一直在尋找行星，因為科學家們確信行星太難找到了。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，表明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行星形成理論上的一個問題，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，並且隨之而來的是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的可能性：在宇宙中我們是孤獨的嗎？
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最初的慶祝活動過後，科學家們開始著手研究他們將如何調查在繞外星太陽執行的行星上是否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層中的生物特徵——高度活潑分子的證據，例如氧氣，除非某種代謝生物體正在補充供應，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；要探測生物特徵，您需要直接對系外大氣層進行成像。為了做到這一點，NASA 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 年代某個時候發射升空。簡而言之，天文學家知道他們不會很快了解到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勵了整整一代年輕科學家投身於這個突然成為天體物理學中最熱門的專業。它也說服了許多年長的同事轉行研究系外行星學。這種突然湧入的智力導致了研究系外行星大氣層的新思路，並大大加快了速度。到 2001 年，觀測者已經在某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，間接地暗示了一些行星可能部分由純金剛石構成。“在這一點上，”加州理工學院的天體物理學家希瑟·克努特森說，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。”
這些發現距離提供生命證據還差得很遠——這並不奇怪，因為克努特森談論的大多數世界都是炙熱的、類木行星，它們比火熱的水星更緊密地環繞著它們的恆星執行。然而，克努特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，它們的大小是我們地球的兩到十倍——這是十年前沒有人能夠想象到的。2013 年 4 月宣佈的開普勒太空望遠鏡發現了兩顆大小不到地球兩倍的行星，它們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是豐富的。因此，雖然這些行星，命名為開普勒 62e 和 62f，距離太遠而無法詳細研究，但天文學家確信，用不了幾年，觀測者就可以在本質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
天文學家認為，開始觀察行星大氣層需要數十年時間，因為最初的少數系外行星是透過間接方式發現的，即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繞著共同的重心執行，行星的引力拖拽使恆星看起來會在原地擺動。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，或者說它朝向和遠離地球的速度，這反過來又告訴我們系外行星的質量有多大。
然而，還有另一種選擇可以找到行星。如果從地球上看，這顆看不見的行星的軌道是完全側向的，那麼這顆行星就會直接從其恆星前方經過，這就是所謂的凌星。然而，在近二十年前的最初發現時期，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 NASA 艾姆斯研究中心的威廉·J·博魯奇，他的開普勒探測器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讀研究生的戴維·查博諾，在科羅拉多州博爾德市的一個停車場架起了一個小型業餘尺寸的望遠鏡，並首次看到了系外行星凌星。這顆行星是 HD 209458b，之前已透過徑向速度技術探測到。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結果而獲得了同等的榮譽。
凌星的成功探測不僅為天文學家提供了第二種尋找系外行星的方法，也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。現在天文學家知道它在物理上有多大，因為行星阻擋的星光量與其大小成正比。（將其質量除以其大小表明 HD 209458b 比木星大 38%，即使這顆行星的質量只有木星的 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，克努特森稱之為“非常聰明的捷徑”。事實上，甚至在首次凌星報告之前，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門研究生，就與她的導師迪米塔·D·薩塞洛夫合著了一篇論文，其中他們預測了當來自恆星的光穿過行星的大氣層時，當行星穿過恆星表面時，觀測者應該看到什麼[參見《我們可以稱之為家園的行星》，作者：迪米塔·D·薩塞洛夫和戴安娜·瓦倫西亞；《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。如果您在與您正在尋找的分子相對應的波長下觀察行星，那麼任何含有該分子的行星大氣層都會吸收光。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特別容易探測。“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，不是用簡陋的業餘望遠鏡，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。
完全掩食
天文學家們也意識到，還有第二種互補的方法來檢查凌星行星的大氣層。當行星從恆星前方經過時，它會向觀測者呈現其夜面。在其他時候，它至少會顯示其晝面的一部分，並且就在行星移動到恆星後面之前，晝面是面向地球的。儘管恆星要亮得多得多，但行星本身也會發光，主要是在紅外線中。
然而，當行星移動到恆星後面時，這種光芒會突然消失；它對行星和恆星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。“它改變了問題的性質，”克努特森說。“你不必探測非常明亮物體附近的非常微弱的物體，而只需測量隨時間變化的訊號。”早在 2001 年，當時在 NASA 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，試圖看到所謂的二級掩食，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，都申請了斯皮策望遠鏡的時間來進行觀測。兩人都獲得了時間並採集了資料。然後，在 2005 年初的某一天，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，”聲音說道。“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）和查博諾使用相同的天文臺，幾乎同時獨立完成了歷史上首次二級掩食探測。這兩個小組同時公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 和查博諾案例中一顆名為 TrES-1 的行星。一年後，德明的團隊探測到了一顆名為 HD 189733b 的行星的二級掩食。“這，”西格和德明在 2010 年的一篇評論文章中寫道，“引發了使用斯皮策太空望遠鏡進行二級掩食觀測探測的浪潮……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所產生的巨大影響和驚人效果。”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望遠鏡，達到他們從未設計過的十進位制位。”
大氣層分層
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恆星如何加熱行星的情況一致。“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些元素的組合構成的、處於某個溫度的氣球，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，儘管系外行星大氣層總體相似，但單個行星在幾個方面可能有所不同。其中一個方面與溫度如何隨海拔高度變化有關。我們太陽系中的一些行星，例如木星和土星，顯示出溫度反演，其中溫度隨海拔高度升高而不是下降。另一些行星則沒有。“問題在於，”克努特森觀察到，“我們不知道是什麼導致了反演，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，具有反演現象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種假設。
另一個問題是，某些行星的大氣層是否由與其他行星不同的分子混合物構成。現在在劍橋大學的尼庫·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，其中碳元素含量與氧元素含量大致相同。
理論表明，如果碳氧比率超過 0.8，並且在同一系統中的其他較小行星中也反映出來（鑑於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，情況很可能如此），那麼將導致“岩石”由碳化物（富含碳的礦物）而不是我們太陽系中發現的富含矽的矽酸鹽岩石構成。如果這是真的，那麼 WASP-12 系統中一顆地球大小的行星可能擁有由金剛石構成的大陸。
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的可能性。然而，就 WASP-12 而言，情況可能並非如此。克努特森說，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 的光被來自背景中較暗的雙星的光汙染了。“他的資料可能似乎對這顆特定行星的解釋提出了一些疑問，”克努特森說。
水世界
到目前為止，觀測的最強烈焦點一直集中在一顆名為 GJ 1214b 的行星上，它繞著一顆小型紅色“M 矮星”執行，距離地球約 40 光年。它的近距離使 GJ 1214b 相對容易研究，而它的大小，僅為地球寬度的 2.7 倍，使其比行星搜尋初期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，她正在領導一個此類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 專案期間發現的，該專案旨在尋找 M 矮星周圍的行星。其想法是，與圍繞較大的恆星相比，圍繞這些小型、昏暗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更大比例的小恆星的光。這樣一顆行星也會對恆星施加相對更大的引力，從而更容易衡量行星的質量，進而衡量其密度。小型、低溫恆星的宜居帶也比炎熱、類太陽恆星的宜居帶要近得多，這使得凌星更有可能被發現（因為近軌道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 矮星數量遠多於類太陽恆星——前者約有 250 顆位於地球 30 光年左右的範圍內，而後者只有 20 顆。
GJ 1214b 並非完全是第二個地球：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發現這顆行星後立即意識到的那樣，這種密度可以通過幾種不同的方式產生。例如，GJ 1214b 可能有一個小的岩石核心，周圍環繞著巨大的、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，頂部覆蓋著一層薄薄的、富含水蒸氣的大氣層。僅憑密度，就無法區分這兩種可能性——儘管考慮到液態水被認為是生命存在（如果我們所知）的先決條件（即使不是保證），海洋世界的可能性自然更令人興奮。
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，希望看到其視大小的變化，這將表明大氣層有多厚，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，但充滿了雲層和霧霾，這將使其難以探測。或者它可能有一個稀薄的含水大氣層，但太稀薄而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察山脈，她於 2013 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，它們可能會看起來像一條直線。”
為了試圖解決這個問題，比恩和他的同事獲得了 60 個哈勃軌道的觀測時間。這不是天文學家第一次用哈勃望遠鏡觀測 GJ 1214b，但到目前為止，這是最密集的計劃。唉，當該團隊分析他們的新資料時，他們既不能證實也不能反駁 GJ 1214b 是水世界的可能性。相反，哈勃望遠鏡的觀測結果只是進一步證實了這樣一種情況，即無論 GJ 1214b 的成分可能是什麼，它的天空都充滿了遮蔽性的雲層。
搜尋氧氣
現在天文學家從事行星搜尋業務已經有一段時間了，他們已經開始發現更多軌道週期較長的行星。這些行星比早期的熱木星行星距離它們的恆星更遠，因此也更冷。“在很長一段時間裡，我們都被限制在 1,500 開爾文、2,000 開爾文的東西上，所以真的非常熱，”克努特森說。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。“當溫度降至 1,000 開爾文以下時，真正有趣的事情就會發生，那就是它會轉變為甲烷。”
甲烷特別有趣，因為它可能是生物活動的一個跡象——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，一種由三個氧原子構成的高度活潑分子——更有可能預示著生命的存在。但它也極其難以探測，因為它的光譜特徵很微妙，尤其是在地球大小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了所有活動，天文學家們仍然專注於大獎。“所有這一切實際上只是一種練習，”西格說。“我的意思是，它本身很有趣，但對於像我這樣的人來說，這只是一個墊腳石，以便我們最終從超級地球過渡到研究地球的大氣層。”
這很可能不會在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發射到軌道之前發生，可能在 2018 年，以及新一代巨型地面儀器，包括巨型麥哲倫望遠鏡和三十米望遠鏡，在 2020 年代上線。即使有了這些強大的儀器，西格說，“也需要數百甚至數百小時”的觀測時間。即使到那時，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，該探測器的資金已被大幅削減，以至於對實際發射日期的任何希望都純粹是猜測。
然而，令人矚目的是，遠遠領先於 1990 年代任何人夢想的任何時間表，西格甚至可以談論找到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，尋找有什麼東西存在的跡象。