自古以来，人类就一直在仰望星空，追问一个终极的问题：在浩瀚的宇宙中，我们是唯一的生命吗？除了太阳系的八大行星，宇宙中还有其他围绕恒星运行的行星吗？有没有和地球一样，适合生命生存的宜居行星？这些问题，困扰了人类几千年。直到上世纪 90 年代，人类首次发现了围绕类太阳恒星运行的系外行星，终于揭开了系外行星世界的神秘面纱。在这之后的三十多年里，系外行星天文学迎来了爆发式的发展，人类已经发现了超过 5500 颗系外行星，它们大小不一、形态各异，有的比木星还大，有的和地球差不多大，有的围绕着两颗恒星运行，有的漂浮在星际空间中，没有宿主恒星。系外行星的发现，彻底改变了我们对太阳系、对行星形成、对宇宙中生命存在的认知，开启了人类寻找宇宙中另一个地球、寻找地外生命的全新征程。

很多人会好奇，系外行星距离我们几十甚至几百光年，本身不发光，只能反射宿主恒星的微弱光芒，在宿主恒星耀眼的光芒下，行星的光芒几乎完全被淹没，人类是怎么发现这些遥远的系外行星的？直接用望远镜看到系外行星，难度极大，就像在几公里之外，看一盏探照灯旁边的一只萤火虫，几乎不可能实现。因此，人类发现系外行星，主要依靠间接的探测方法，通过观测行星对宿主恒星的影响，来推断行星的存在、质量、轨道半径等参数，其中最常用、发现系外行星数量最多的，是凌日法和径向速度法。

凌日法，也叫掩星法，是目前发现系外行星数量最多的方法，NASA 的开普勒太空望远镜、TESS 凌日系外行星巡天卫星，都是通过这种方法，发现了数千颗系外行星。凌日法的核心原理，是当系外行星运行到宿主恒星和地球之间时，行星会遮挡住宿主恒星的一小部分光芒，导致我们观测到的恒星亮度，出现一个微小的、周期性的下降，就像发生了一次微型的日食。通过持续监测恒星的亮度变化，捕捉到这种周期性的亮度下降，就能推断出行星的存在，同时根据亮度下降的幅度，计算出行星的半径大小，根据亮度变化的周期，计算出行星的公转周期和轨道半径，也就是行星和宿主恒星之间的距离。

凌日法的优势，是能同时监测成千上万颗恒星，适合大规模的系外行星巡天，能发现大量的系外行星，同时能精准测量行星的半径，结合径向速度法测量的行星质量，就能计算出行星的密度，推断出行星是气态巨行星，还是岩石行星。但凌日法也有一定的局限性，只有当行星的公转轨道平面，和我们的观测视线方向完全对齐时，我们才能观测到凌日现象，这种概率非常低，对于类太阳恒星周围的类地行星，凌日发生的概率只有 0.5% 左右，绝大多数的系外行星，我们无法通过凌日法观测到。

径向速度法，也叫多普勒摆动法，是人类首次发现类太阳恒星周围系外行星的方法，也是发现系外行星第二多的方法。它的核心原理，是行星和恒星围绕着共同的质心旋转，行星的引力，会让宿主恒星发生微小的周期性摆动，这种摆动会导致恒星发出的光谱，发生周期性的多普勒频移。当恒星向着地球的方向摆动时，它的光谱会向蓝端偏移；当恒星远离地球的方向摆动时，光谱会向红端偏移。通过高精度的光谱仪，持续监测恒星光谱的这种微小的多普勒频移，就能推断出行星的存在，同时计算出行星的质量、公转周期和轨道参数。

恒星的这种摆动极其微小，比如地球对太阳的引力，只会让太阳产生每秒 9 厘米的径向速度变化，想要测量这种级别的速度变化，对光谱仪的精度要求极高，需要能分辨出每秒几米甚至几厘米的速度变化，技术难度极大。经过几十年的技术发展，现在的高精度光谱仪，已经能实现每秒几十厘米的测量精度，能发现和地球质量差不多的岩石行星。径向速度法的优势，是不需要行星的轨道和观测视线对齐，能观测到所有轨道倾角的系外行星，适用范围更广，同时能精准测量行星的质量，和凌日法形成完美的互补。

除了这两种主流方法，还有微引力透镜法、直接成像法、天体测量法、脉冲星计时法等多种系外行星探测方法。微引力透镜法，利用了广义相对论的引力透镜效应，当一颗前景恒星从背景恒星前方经过时，前景恒星的引力会像透镜一样，放大背景恒星的光芒，如果前景恒星周围有行星，行星的引力会产生一个额外的微引力透镜信号，让背景恒星的光变曲线出现一个微小的峰值，通过监测这种光变信号，就能发现系外行星。这种方法能发现距离地球几千光年的遥远系外行星，还能发现质量很小的、距离宿主恒星很远的行星，是其他方法很难发现的。直接成像法，是通过大型地面望远镜，或者空间望远镜，用日冕仪遮挡住宿主恒星的光芒，直接拍摄到系外行星的影像，这种方法能直接观测到行星的大气成分、温度、轨道参数，是未来研究系外行星大气、寻找生命迹象的核心方法，目前已经成功拍摄到了多颗年轻的、大质量的气态巨行星。

1995 年，瑞士天文学家米歇尔・马约尔和迪迪埃・奎洛兹，首次在类太阳恒星飞马座 51 周围，发现了一颗系外行星 —— 飞马座 51b，这是人类首次在类太阳恒星周围发现系外行星，开启了系外行星天文学的全新时代，两位天文学家也因此获得了 2019 年的诺贝尔物理学奖。这颗行星是一颗气态巨行星，质量是木星的一半，公转周期只有 4.2 天，距离宿主恒星极近，表面温度超过 1000℃，这类行星也被称为 “热木星”，它的发现，彻底颠覆了天文学家对行星系统形成和演化的认知，在此之前，天文学家认为，气态巨行星应该像太阳系的木星一样，距离宿主恒星很远，公转周期长达十几年。

在这之后，随着探测技术的不断进步，人类发现的系外行星数量呈指数级增长。2009 年，NASA 发射了开普勒太空望远镜，它在太空中持续监测了超过 15 万颗恒星的亮度变化，在 9 年的任务期内，发现了超过 2600 颗确认的系外行星，还有数千颗候选行星，让人类对系外行星的认知，实现了质的飞跃。2018 年，NASA 发射了 TESS 凌日系外行星巡天卫星，接替开普勒望远镜，对整个天空的明亮恒星进行巡天观测，目前已经发现了数百颗系外行星，其中包括多颗和地球大小相近的宜居带行星。同时，地面的高精度光谱仪，也在持续发现新的系外行星，包括距离我们最近的恒星系统 —— 比邻星周围的系外行星比邻星 b，它距离我们只有 4.2 光年，质量和地球差不多，处于恒星的宜居带内。

目前，人类已经确认的系外行星数量，已经超过了 5500 颗，还有超过 1 万颗候选行星等待确认，这些系外行星，几乎涵盖了所有可能的类型，彻底颠覆了我们对行星系统的认知。我们发现了比木星还大十几倍的超级木星，也发现了比地球还小的岩石行星；发现了公转周期只有几个小时的超短周期行星，也发现了公转周期长达几万年的遥远行星；发现了围绕红矮星、白矮星、中子星运行的行星，也发现了围绕两颗、甚至三颗恒星运行的行星，就像《星球大战》中的塔图因星球，能看到两个太阳升起；还发现了没有宿主恒星，在星际空间中自由漂浮的流浪行星。天文学家通过统计发现，银河系中几乎每一颗恒星周围，都至少有一颗行星，银河系中的行星总数，应该超过了 4000 亿颗，我们的太阳系，并不是宇宙中特殊的存在，行星在银河系中，是极其普遍的存在。

在这些海量的系外行星中，人类最关注的，是和地球相似的、处于恒星宜居带内的岩石行星，也就是我们常说的 “超级地球”“宜居行星”。恒星的宜居带，是指距离恒星不远不近的一个轨道范围，在这个范围内，行星的表面温度能让水以液态的形式存在，而液态水，是我们已知的生命存在的必要条件。只有处于宜居带内的岩石行星，才有可能拥有稳定的液态水、合适的大气，具备生命生存的条件，也就是我们寻找的 “另一个地球”。

目前，天文学家已经发现了数十颗处于恒星宜居带内的岩石行星，其中很多行星的大小、质量和地球非常接近，比如开普勒 - 452b，被称为 “地球的大表哥”，它围绕着一颗和太阳非常相似的恒星运行，公转周期 385 天，和地球的公转周期非常接近，处于恒星的宜居带内，表面可能存在液态水。还有比邻星 b、TRAPPIST-1 系统中的多颗行星，都是距离我们较近、和地球大小相近的宜居带行星，TRAPPIST-1 系统中，有 7 颗和地球大小相近的岩石行星，其中 3 颗处于宜居带内，是目前寻找地外生命的重要目标。

发现系外行星，只是第一步，人类的终极目标，是寻找系外行星上的生命迹象，也就是生物标志物。想要判断一颗系外行星是否适合生命生存，是否存在生命，就需要研究系外行星的大气成分。当行星发生凌日时，恒星的光线会穿过行星的大气层，大气层中的不同气体分子，会吸收特定波长的光线，在恒星的光谱中留下独特的吸收线，通过分析这些吸收线，就能推断出行星大气中含有哪些气体，比如氧气、水蒸气、二氧化碳、甲烷等。如果一颗行星的大气中，同时存在大量的氧气和甲烷，这两种气体在自然条件下很难长期共存，除非有生命活动持续产生这些气体，这就是强烈的生命迹象。

目前，NASA 的詹姆斯・韦伯太空望远镜，已经开始对系外行星的大气进行光谱观测，成功分析了多颗系外行星的大气成分，发现了水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体，开启了系外行星大气研究的全新时代。未来，随着更先进的空间望远镜和地面望远镜的建成，我们将能对宜居带内的类地行星，进行高精度的大气光谱观测，寻找生命存在的生物标志物，最终回答 “我们在宇宙中是唯一的吗” 这个终极问题。

从几千年前的仰望星空，到如今发现数千颗系外行星，人类对宇宙的认知，正在以前所未有的速度拓展。系外行星的发现，让我们知道，太阳系并不是宇宙中特殊的存在，行星在银河系中无处不在，和地球相似的宜居行星，可能遍布整个银河系。未来，随着探测技术的不断进步，我们一定会找到真正和地球一样的宜居行星，甚至发现宇宙中存在的地外生命，开启人类探索宇宙的全新篇章。

内容来自：同行视界