鐵雨行星、被母星吞噬的行星或擁有全球海洋的行星——已知系外行星的多樣性遠遠超出了科幻小說中最奇特的想法。而我們僅僅觸及了表面；僅在我們星系中估計的萬億或更多世界中，只有幾千個世界得到了確認。但是，雖然我們已經非常擅長探測系外行星，但描述它們——辨別它們的實際環境是什麼樣子——是另一項更加困難的壯舉。然而，天文學家利用透過望遠鏡收集的微弱光線，能夠結合巧妙的建模、合理的假設和認真的偵探工作來揭示這些寶藏。而這將需要所有這些工具以及更多工具來奪取真正的獎品：在另一個世界上發現生命。
一個白熾的世界
例如，以HD 104067為例。這是一顆橙色的恆星，距離我們約66光年，比我們自己的太陽略小。2011年，天文學家宣佈發現一顆木星級行星，它以55天的緊密軌道繞這顆恆星執行。最近，天文學家跟進地面和太空天文臺，將他們的研究與追溯到1997年的少量資料集相結合。所有這些艱鉅努力的結果是圖中幾條線，表明恆星沿我們的視線來回擺動的速度有多快。
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這就是天文學家進行引力偵探遊戲所需的一切。行星以規則的軌道執行，這將以可重複的方式影響恆星的運動——例如，天文學家經常將恆星來回擺動與伴隨的、看不見的世界聯絡起來。然而，看起來像一次擺動的東西，實際上可以更好地看作是隨著時間的推移重疊的多重擺動，這些擺動是由圍繞恆星各自軌道節拍行進的多顆行星的共同影響造成的。如果有足夠的資料，天文學家可以從一顆搖擺的恆星中梳理出整個行星系統的結構——不僅揭示新的世界，而且還揭示行星的缺失。例如，透過對HD 104067使用數千個玩具模型行星配置，天文學家能夠最終確定哪些型別的行星沒有圍繞這顆恆星執行。
但是天文學家在資料中發現了其他東西：來自一顆新的天王星質量行星的恆星擺動，它位於其較大的木星尺度兄弟行星軌道的內側。在那次二級擺動中，還有更多的東西：一顆類地世界在2.2天軌道上執行的最初微弱跡象。
在這個最內層的類地世界上，生命會是什麼樣子？這就是另一層建模發揮作用的地方。根據行星因在其恆星上引起的擺動強度而估計的質量，並假設該行星大致類似於地球（從某種意義上說，它主要由固體岩石和金屬而不是液體或氣體組成），天文學家可以模擬它如何響應其母星及其兩個較大、令人不安的近距離兄弟行星的引力拉力和拖拽。
就圍繞HD 104067執行的新發現的小世界而言，這種建模表明，這顆行星經歷了顯著的潮汐拉伸和擠壓，這提供了足夠的能量來融化其表面。這本質上是我們太陽系中木星的超火山衛星木衛一發生情況的更強烈版本。事實上，這種能量相當於約2600開爾文的表面溫度，使這顆地球的準表親實際上像行星大小的發光燈泡一樣白熾。
挖掘遙遠系外行星的資料
是的，這種分析可能是錯誤的，但如果它是錯誤的，那也不是以一種顯而易見的方式。所說的每一句話都是基於原始資料或對物理學在宇宙中如何運作的充分理解的假設。
但或許我們最偉大的理解壯舉來自更少的資料：僅僅是對微小光點的測量，而沒有某種多年的長期觀測活動。在合適的條件下，天文學家可以測量行星的光譜，從而快速估計其大氣成分。
例如，天文學家使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 在系外行星K2-18 b的大氣層中識別出甲烷、二氧化碳以及一種名為二甲基硫醚的潛在化合物。根據對這種大氣層的建模，一些天文學家認為這顆行星是一個“海王星”世界——一個以全球液態水海洋為特徵的世界，其下方是一個厚厚的氫氣大氣層。
其他行星則更加奇怪。另一項最近的JWST調查集中在“熱木星”世界WASP-43 b上，這是一個膨脹的氣態球體，在一個極其炎熱的近距離軌道上圍繞其恆星旋轉。從地球上看，這顆行星會凌日，並且是“潮汐鎖定”的，這意味著它始終將其相同的半球朝向其恆星。哈勃和斯皮策太空望遠鏡之前的觀測利用了這種軌道幾何形狀的怪癖來測量行星的夜側（在凌日期間看到）及其晝側（當行星即將從其恆星後面經過時，從地球上看）。但JWST更清晰的視野使天文學家能夠辨別更微妙的細節，並有效地建立了WASP-43 b的天氣圖。預報是金屬熔化的溫度、風速超過每小時5000英里以及雲層不是由水蒸氣而是由熔岩組成的。
硫磺生物圈
所有這些偵探工作在未來幾十年都將是必要的，因為天文學家正在構建工具和技術來尋找太陽系外的生命。美國國家航空航天局即將推出的宜居世界天文臺計劃於2040年代的某個時候發射，將瞄準數十個附近的系外行星，目標是直接成像它們，但大部分有用的資訊將來自高解析度光譜。關鍵證據可能以大氣生物特徵的形式出現——本質上是一種或多種外星世界空氣中的化學物質，最好用生命在該星球上蓬勃發展來解釋。
在我們自己的世界中，例如，如果沒有光合作用和厭氧微生物，我們的大氣層可能會少得多氧氣和甲烷。但是，地球的大氣層在過去的數十億年中經歷了劇烈的變化；我們自己的一些生物特徵會被外星人相當於宜居世界天文臺的裝置發現，而有些則不會。毋庸置疑，天文學家花費了多年時間整理潛在生物特徵的豐富目錄、非生物假陽性和檢測標準，以設計儘可能廣泛的調查計劃——畢竟，我們不完全確定外星生命會是什麼樣子，或者會對它的大氣層做什麼——同時增加我們在看到生命時認出生命的機會。
儘管如此，這個方向的大部分工作都是推測性的，並且可能會發生變化。例如，一篇預印本論文最近被《天體物理學雜誌快報》接受發表，該論文使用了海王星系外行星全球氣候的模擬，以及關於母星的紫外線如何有效破壞生命產生的硫氣體的合理假設，來模擬硫生物特徵的可探測性。在地球上，這種硫氣體持續時間不長，但在過去可能並非總是如此，而海王星世界的濃密、朦朧的大氣層可能允許硫在夜側積聚到可探測的程度。我們對外星生命的第一個暗示可能是一絲淡淡的硫磺氣味——也可能不是。這個假設的可靠性取決於您對我們對這些世界行為方式的模型和假設的信任程度。
無論如何，理解系外行星將是一項艱鉅的工作，需要技術、方法和物理理解方面的許多並行發展。我們首次發現系外行星生命的跡象可能只是一種耳語，光譜中的一個輕微凸起，或者模型輸出的奇怪結果。就像過去許多偉大的科學發現一樣，這個結果不會以“尤里卡！”來宣告，而是以“嗯，真奇怪”來宣告。