銀河系，我們自己的星系，在智利的La Silla望遠鏡上空延伸。隱藏在我們自己的銀河系內的是數萬億個行星，大多數都等待被發現。圖片來源：ESO / S. Brunier
走出一個晴朗的夜晚，你可以確定我們的祖先只能想象的東西：你看到的每一顆星都可能是至少有一顆行星。
環繞其他恆星的世界被稱為“系外行星”，它們有各種各樣的大小，從比木星更大的氣體巨星到與地球或火星一樣大的小型岩石行星。它們可以足夠熱以煮沸金屬或鎖定在深度冷凍。他們可以如此緊緊地繞著他們的恆星運行，以至於“一年”只持續幾天; 他們可以一次繞兩個太陽運行。一些系外行星是沒有太陽的流氓，在永恆的黑暗中徘徊在銀河系中。
銀河系的銀河系是在最黑暗，最清晰的夜晚穿過天空的濃密星星。它的螺旋狀擴張可能包含大約4000億顆恆星，其中包括太陽恆星。如果這些恆星中的每一個都不僅僅有一個行星，而且像我們一樣，它們是整個系統，那麼銀河系中行星的數量確實是天文數字：我們已經進入了數萬億。
幾千年來，我們人類一直在猜測這種可能性，但是我們的第一代人確實知道系外行星真的在那裡。事實上，那裡的方式。我們最近的鄰近恆星Proxima Centauri最近被發現擁有至少一顆行星 - 可能是一顆岩石。它距離我們4.5光年 - 超過25萬億英里（40萬億公里）。到目前為止發現的大部分系外行星距離數百或數千光年。
壞消息：到目前為止，我們還沒有辦法接觸到它們，也不會很快留下足跡。好消息：我們可以查看它們，瞭解它們的溫度，品嚐它們的氣氛，或許有一天，很快就會發現生命跡象，這些跡象可能隱藏在從這些昏暗遙遠世界捕獲的光線像素中。
Proxima Centauri b的示意圖，距離四光年遠的岩石行星表面。圖片來源：ESO / M. Kornmesser
在世界舞臺上爆發的第一顆系外行星是51 Pegasi b，一顆50光年遠的“熱木星”，圍繞著它的恆星被鎖定在為期四天的軌道上。分水嶺年份是1995年。突然之間，系外行星是一回事。
但是已經出現了一些提示。1988年發現了一個現在被稱為Tadmor的行星，儘管這一發現於1992年被撤銷。十年之後，更多更好的數據明確表明它確實存在於那裡。
從1992年開始，還發現了一個由三個“脈衝星行星”組成的系統。這些行星繞著距離我們大約2300光年的脈衝星運行。脈衝星是高密度，快速旋轉的死星屍體，用灼熱的輻射掠過圍繞它們的軌道上的任何行星。
現在我們生活在一片系外行星中。已確認的行星計數為3,700，並且正在上升。這只是整個銀河系的一小部分樣本。隨著我們增加機器人望遠鏡進入太空的數量和觀測能力，計數可能會在十年內上升到數萬。
我們是怎麼來到這裡的？
我們站在科學史的懸崖邊上。早期勘探的時代，以及第一次確認的系外行星探測，正在讓位於下一階段：更加尖銳和更復雜的望遠鏡，在太空和地面上。它們會廣泛但也會向下鑽取。有些人的任務是對這些遙遠的世界進行更加精確的人口普查，確定他們的眾多規模和類型。其他人會仔細檢查個別行星，他們的氣氛，以及他們擁有某種生命形式的潛力。
系外行星的直接成像 - 即實際圖像 - 將發揮越來越大的作用，儘管我們主要通過間接方式達到了我們目前的知識狀態。兩種主要方法依賴於擺動和陰影。這種稱為徑向速度的“擺動”方法可以觀察到恆星在由軌道行星的引力拖拉來回拉動時的緊張情緒。擺動的大小揭示了行星的“重量”或質量。
這種方法產生了第一次確認的系外行星探測，包括1995年的51 Peg，由天文學家Michel Mayor和Didier Queloz發現。到目前為止，使用徑向速度法的地面望遠鏡發現了近700顆行星。
但絕大多數系外行星都是通過尋找陰影找到的：當一顆行星穿過它的臉時，一顆恆星在光線中的微小下降。天文學家稱此過境是“過境”。
星光下降的大小揭示了過境行星周圍的大小。不出所料，這種行星陰影搜索被稱為傳輸方法。
美國宇航局於2009年發射的開普勒太空望遠鏡以這種方式發現了近2,700枚確認的系外行星。現在，在其“K2”任務中，開普勒仍然在發現新的行星，儘管它的燃料很快就會消失。
每種方法都有其優點和缺點。擺動探測提供了行星的質量，但沒有提供有關行星周長或直徑的信息。過境檢測顯示直徑但不顯示質量。
瑞士天文學家Didier Queloz和Michel Mayor在智利La Silla天文臺前。這對夫婦在1995年發現了51個Pegasi b，這是第一個發現像太陽一樣旋轉恆星的行星。圖片來源：L。Weinstein / Ciel et Espace照片
但是當多種方法一起使用時，我們可以學習整個行星系統的重要統計數據 - 無需直接對行星本身進行成像。到目前為止，最好的例子是距離我們大約40光年的TRAPPIST-1系統，其中七個大致地球大小的行星繞著一顆小的紅色恆星運行。
在特拉普-1的行星已經研究了與地面和太空望遠鏡。天基研究不僅揭示了它們的直徑，而且揭示了這七顆緊密堆積的行星相互之間的微妙引力影響; 由此，科學家們確定了每顆行星的質量。
所以現在我們知道它們的質量和直徑。我們也知道它們的恆星輻射的能量有多少撞擊這些行星的表面，讓科學家們估計它們的溫度。如果你站在其中一個上，我們甚至可以合理估計光線水平，並猜測天空的顏色。雖然這七個世界仍然未知，包括它們是否擁有大氣或海洋，冰蓋或冰川，它已成為除我們自己以外最著名的太陽系。
這個岩石超級地球是未來望遠鏡類型的例證，如TESS和詹姆斯韋伯，希望在我們的太陽系外找到。圖片來源：ESO / M. Kornmesser
我們去哪？
下一代太空望遠鏡正在我們身上。首先是TESS，即過境系外行星測量衛星的發射。這個非凡的儀器將對近距離，更明亮的恆星進行近乎全天的調查，以尋找過境行星。Kepler，過去的過境大師，將把發現的火炬傳遞給TESS。
反過來，TESS將揭示詹姆斯韋伯太空望遠鏡近距離觀察的最佳候選者，目前計劃於2020年發射。韋伯望遠鏡，部署一個巨大的，分段的聚光鏡，將騎在一個瓦片上平臺，旨在直接從行星本身捕捉光線。然後光可以分成多色光譜，這是一種條形碼，顯示行星大氣中存在哪些氣體。韋伯的目標可能包括“超級地球”，或比地球更大但比海王星更小的行星 - 有些可能是我們自己的超大尺寸版本的岩石行星。
人們對這些大行星知之甚少，包括一些行星是否適合生活。如果我們非常幸運，也許其中一個會在其大氣中顯示出氧氣，二氧化碳和甲烷的跡象。這種混合氣體會強烈地提醒我們自己的氣氛，可能表明存在生命。
但是，在20世紀20年代或20世紀30年代，在地球大小的系外行星上尋找類似地球的大氣可能需要等待下一代甚至更強大的太空探測器。
由於開普勒望遠鏡的統計調查，我們知道上面的恆星富含行星伴星。當我們盯著夜空時，我們不僅可以確定大量的系外行星鄰居，還可以肯定其他事情：冒險才剛剛開始。
美國宇航局現在和未來的任務，尋找其他世界。圖片來源：NASA
閱讀更多 科學書屋 的文章
