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二十年前，你可以用手指和腳趾數遍宇宙中所有已知的行星，並從記憶中背誦它們的名字。而今天，你可能需要計算器和電子表格：成千上萬的系外行星——圍繞其他恆星執行的世界——填滿了我們的目錄。天文學家們現在準備再發現數萬顆行星。
這些奇異的新世界大多是過熱、不適宜居住且千差萬別的氣態巨行星——“熱木星”或“溫暖的亞海王星”，但有些似乎是我們自己世界的超大版本——岩石質、溫帶的“超級地球”。少數幾個在大小、質量和軌道等基本方面幾乎與地球相同。統計資料強烈表明，行星一定圍繞著天空中的每一顆恆星執行，甚至暗示最近的地球孿生行星可能距離我們不到十幾光年——以星際距離而言，實際上就在隔壁。然而，行星獵人們仍然不確定這樣的“替身”是否存在. 他們最終何時以及如何找到答案，可能取決於近期做出的決定。
迄今為止，最令人興奮的發現大多來自 NASA 的行星搜尋開普勒任務，但那架太空望遠鏡發現的世界往往太暗太遠，難以進行後續調查。開普勒最新的任務階段，被稱為“K2”，現在正在尋找更近、更亮的恆星周圍的行星。然而，這項搜尋要到 2017 年才能進入高潮，屆時 NASA 計劃發射開普勒的繼任者——凌星系外行星巡天衛星 (TESS)。與開普勒一樣，TESS 將搜尋在其太陽表面“凌星”的陰影世界。TESS 可能會發現數千顆附近的行星，其中數百顆可能是小型岩石行星。在這些小型岩石世界中，有少數會沐浴在它們所環繞的小而暗淡的“M 矮星”的充足星光下，使其表面擁有液態水。
也就是說，TESS 應該會發現少數幾個附近的行星，這些行星可能是宜居的，甚至可能已經有生命存在。為了瞭解更多資訊，天文學家將不得不使用光譜儀遠端檢查每個世界的大氣層，以探測宜人氣候的標誌，例如水蒸氣和二氧化碳，甚至可能探測生命的潛在跡象，例如光合植物產生的氧氣或細菌產生的甲烷。
在 2020 年代，一些地面“極大望遠鏡”，其鏡面直徑為 30 米或更大，將尋求對 TESS 和其他任務可能發現的一些最亮、最近的潛在宜居系外行星進行一些測量。但普遍認為，研究這些行星以尋找生命跡象的最佳方法是從太空進行，在高空中遠離地球湍流大氣的干擾。
天文學家已經將老化的哈勃和斯皮策太空望遠鏡推向極限，以粗略地檢查一些大型、炎熱、不適宜居住的世界的大氣層。只有一架太空天文臺，NASA 耗資近 90 億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，計劃於 2018 年發射，有望在不久的將來跟進 TESS 最誘人的發現——望遠鏡的推廣者在與公眾或國會溝通時，很少不強調這一點。
然而，韋伯究竟有多大的希望，取決於你問的是誰。韋伯太空望遠鏡科學研究所的專案科學家傑森·卡萊萊持樂觀態度。“藉助 [韋伯]，我們可以測量圍繞 [M 矮星] 執行的溫暖超級地球大氣層中的二氧化碳、甲烷和水蒸氣等分子，”他說。同樣在研究所的天文學家傑夫·瓦倫蒂對韋伯的前景更加不確定。“大自然尚未表明韋伯是否能夠成功地描述 M 矮星周圍潛在宜居的世界，”他說。“我們會嘗試這樣做嗎？我很確定我們會嘗試。它會是結論性的嗎？我對此表示懷疑。”
尋找生命，發現熱空氣
憑藉其低溫冷卻探測器的敏銳紅外視覺和巨大的 6.5 米鏡面，韋伯應該能夠檢查 TESS 的一些凌星行星的大氣層。當行星凌星並被其恆星背光照射時，韋伯可以嘗試透過收集穿過行星的光線來研究該世界的高層大氣，從而獲得有關大氣成分和結構的資訊。韋伯還可以透過觀察行星凌星之外發生的恆星亮度變化來幫助估計行星的白晝溫度，例如當行星從其恆星後面經過並被遮蔽時。
關於韋伯在太陽系外生命搜尋中能走多遠的爭論，很大程度上取決於運氣。如果 TESS 沒有在離我們太陽最近的一些 M 矮星周圍發現任何誘人的超級地球，韋伯就沒有多少東西可以研究。韋伯的設計目的是研究宇宙的第一批恆星，而不是潛在的宜居世界，其儀器的定義遠早於天文學家意識到凌星系外行星的潛力。檢查更大、更亮、更像太陽的恆星周圍的類地行星將超出韋伯的能力範圍，需要新的、有風險的光學技術，這些技術無法及時新增到望遠鏡中以趕上發射。
最安全的賭注是，對於至少一顆凌星附近的 M 矮星的潛在宜居超級地球，韋伯將能夠確定該行星僅僅擁有大氣層。即便如此，將韋伯將研究的任何 M 矮星世界稱為“潛在宜居”可能都是牽強的。M 矮星對行星的宜居性提出了許多不確定性和挑戰：它們宜居帶中的世界可能會受到非常強大的恆星耀斑的衝擊，並且也可能被潮汐鎖定，一個半球持續面向恆星。
模擬表明，為了讓韋伯能夠輕易探測到凌星 M 矮星的岩石行星上的水蒸氣，該行星可能需要被厚厚的氫氣層覆蓋，或者溫度超過 120 攝氏度。根據來自系外行星探索計劃分析小組 (ExoPAG) 的一項新研究，ExoPAG 是一個有影響力的科學家委員會，幫助 NASA 確定任務的優先順序和計劃，這樣的測量每個小型岩石世界都需要數月的觀測時間。儘管對於生命的前景可能黯淡，但韋伯研究的每個“潛在宜居”目標都需要大量望遠鏡時間的投入。“即使我們在 TESS 的一顆岩石凌星行星上探測到水，對於宜居性來說也可能是壞訊息，”馬薩諸塞州阿默斯特學院的天文學家尼克·考恩說，他是這項新研究的主要作者。考恩說，一顆具有足夠富含水蒸氣的高層大氣以供韋伯探測的類地行星，可能正處於將水流失到太空並變成像金星一樣乾燥炎熱的世界的過程中。
考慮到韋伯必須在其五年主要任務期間與整個天體物理學界共享，並且只有大約 25% 的觀測時間可用於研究凌星系外行星，科學家們現在正在爭論望遠鏡應該在多大程度上重視研究邊緣宜居世界。畢竟，韋伯在研究這些世界時會遇到困難，提供的低質量觀測結果可能會提出比答案更多的問題，但望遠鏡可以更輕鬆地提供關於更大、更熱、完全不適宜居住的行星的形成和大氣演化的前所未有的新資料。“TESS 和韋伯正在將我們從目標受限的凌星行星領域帶入時間受限的領域，”ExoPAG 主席、俄亥俄州立大學天文學家斯科特·高迪說。“並不是說韋伯不能檢查潛在宜居的行星；而是它可能需要比我們實際能夠獲得的更多的時間……。如果你把所有可能可用的時間加起來，你可以想象要麼對數百顆熱木星和溫暖的亞海王星進行大規模調查，要麼花費時間研究少數幾顆凌星的溫帶類地行星。”
尋找失去的時間
對於望遠鏡的時間分配委員會來說，弄清楚如何最好地利用韋伯將是一項精細的任務，這些委員會將在望遠鏡 2018 年發射之前開始他們的審議。儘管韋伯可以研究比宜居行星多得多的不宜居行星，“但在許多熱木星的情況下，我認為韋伯在某種意義上是殺雞用牛刀，”高迪說。“這就像用大錘釘釘子……。你可以用更小的東西完成這項工作。而且有一種觀點認為，你應該把你最好、最先進、最昂貴的設施用於它獨一無二能夠做的事情，即使它不是完美的”——比如觀察超級地球。
ExoPAG 認為，解決僵局的一種潛在方案是將韋伯對氣態巨行星的潛在研究外包給另一個太空任務，一個規模更小、更便宜的太空望遠鏡，專門用於調查數百顆凌星熱木星和溫暖的亞海王星的大氣層。這樣的任務理論上可以在 2020 年代中期建成併發射，屆時韋伯將接近其暮年。
天文學家最近提出了這樣的任務，但結果並不理想。2013 年，NASA 否決了一項名為 FINESSE（快速紅外系外行星光譜巡天探測器）的提案，轉而支援 TESS。去年，歐洲航天局選擇了 PLATO（行星凌星和恆星振盪）——一項與開普勒非常相似的任務——計劃於 2024 年發射，而不是 EChO（系外行星特徵觀測站），一項調查氣態巨行星大氣層的任務。現在，韋伯觀測時間有限的嚴酷現實正在逐漸顯現，這些提案背後的兩個團隊都在重新考慮他們的機會。歐洲 EChO 團隊已經提交了一項名為 ARIEL 的新提案，而美國 FINESSE 團隊據傳也在制定一項新的提案。
“系外行星界的一部分人想要找到並研究我們最近的近親，地球孿生行星，試圖探測它們上面的生命，但社群的另一個方面熱愛並想要了解整個行星家族，”系外行星大氣專家、NASA 噴氣推進實驗室 FINESSE 團隊負責人馬克·斯溫說。“這些是不同的觀點，但也許它們最終會殊途同歸，”斯溫補充道。“我認為，最終要確定地球行星上是否存在生命，我們需要了解它的大氣層是如何運作的，而這需要將其置於行星大氣層整體背景下。大規模的巡天任務將提供這種廣泛的背景。”
無論是否會出現一個凌星巡天太空望遠鏡來補充韋伯，NASA 的韋伯後項目已經在進行中。在韋伯之後，該機構計劃在 2020 年代某個時候發射 2.4 米的 WFIRST（廣域紅外巡天望遠鏡），以研究暗能量並拍攝氣態巨行星系外行星的快照。許多行星獵人將他們尋找外星地球的希望寄託在 2030 年代或更晚可能跟隨 WFIRST 的任何專案上，夢想著一架 10 米或 12 米的太空望遠鏡，它將是專門為直接成像大量附近類太陽恆星周圍的其他類地行星而建造的。但是，為這項艱鉅的任務最佳化望遠鏡也會損害其深入研究圍繞較小、較暗恆星的有希望的行星的能力。理論上，這樣的望遠鏡可以研究數百顆圍繞像我們太陽一樣的恆星執行的映象地球，但代價是隻能探測可能圍繞最近、最亮的 M 矮星執行的十幾顆潛在宜居世界。
因此，系外行星領域的下一場重大地盤戰可能會圍繞尋求真正的藍色地球孿生行星與研究韋伯可能開始揭示的更奇異的 M 矮星世界之間爆發。“我不認為韋伯會在尋找生命方面一鳴驚人，”阿默斯特學院的考恩說。“它可以讓我們在這些 M 矮星行星上取得進展，但沒有任何正在進行的工作可以將我們帶回家。每個下一代任務都在追逐圍繞類太陽恆星執行的地球。想象一下，如果我們得到這些 M 矮星行星的誘人觀測結果，並瞭解到它們有大氣層，然後就將它們擱置 30 年。這可能會成為一個問題。”