格利泽 876 是一颗普通的恒星，质量只有我们太阳的三分之一，距离仅 15 光年，但它拥有自己独特的具有历史意义的行星系统。1998 年，由加州大学伯克利分校的杰夫·马西 (Geoff Marcy) 领导的一个团队在那里首次探测到了一些有趣的东西：一颗巨大的行星，质量是木星的两倍，每两个月绕格利泽 876 运行一周，它的引力以喷气式飞机的速度来回拉扯恒星。三年后，同一个团队发现了第二颗行星，质量是木星的一半，距离更近，以赛车的速度牵引恒星。虽然这些行星太暗而无法直接看到，但它们的运动导致恒星的光谱在天文望远镜的数字探测器上来回摆动。
在过去的十年里，木星大小的行星的发现已经司空见惯；迄今为止已经发现了大约 300 颗。然而，在 2005 年，在改进的探测软件的帮助下，马西的团队又在格利泽 876 周围发现了一些真正新的东西。这个看不见的天体为恒星的运动增加了一个额外的常规分量，就像钢琴和弦中微弱而高亢的第三个音符。那是另一颗行星，仅用两天时间绕行，对恒星的拉力要温和得多，不是以喷气式飞机或赛车的速度，而是以人类可以奔跑的速度。马西意识到，这颗被命名为格利泽 876 d 的行星，显然不是木星。它的质量不超过我们地球的七到八倍：一颗“超级地球”。在此之前，所有已知的系外行星（围绕其他恒星运行的行星）都是巨大而气态的，但这一颗很可能由岩石物质组成——这是在另一个太阳系中发现的第一个类似我们地球的世界。
格利泽的这颗超级地球离它的恒星如此之近，以至于几乎没有居住的可能性。发现团队成员、加州大学圣克鲁兹分校的格雷格·劳林 (Greg Laughlin) 说，如果它有大气层，那可能也只是一层浓密的蒸汽。但是，如果我们在银河系的后院就能找到一颗岩石状的类地行星，那么肯定还有更多这样的行星。此前，在 1995 年发现第一颗类木系外行星的瑞士天文学家——也是加州团队在系外行星搜寻中的主要竞争对手——在 6 月份表示，他们发现的不是一颗而是三颗围绕 40 光年外一颗恒星运行的超级地球。其中最小的只有地球质量的四倍。劳林预测：“我们将在 2010 年发现一颗地球质量的行星，并在 2012 年发现一颗可能宜居的地球质量行星。”
然而，我们仍然没有找到真正的第二颗地球。毕竟，地球的标志不是它的质量，不是它的岩石性质，也不是它可能宜居的事实。它的标志是它“确实”有人居住。如今，没有人怀疑在银河系 1000 亿颗恒星中，还存在其他相当凉爽、岩石状的行星。天文学家对恒星和行星形成的所有了解都表明，它们一定存在。但是，这些岩石上是否有生命，如果有，我们能否探测到它？“这不可能在地球上实现，”劳林说，“它必须在太空中实现。”
在太空中，在大气层之上，恒星不会闪烁；在太空中，望远镜也超越了白天和黑夜的限制，因此可以连续数周凝视同一颗恒星，逐渐从其光线中捕捉到由一颗小型行星绕行引起的微不可察但规律的闪烁。法国卫星科罗特，第一台主要致力于寻找岩石行星的空间望远镜，目前正在轨道上运行。一项能力更强的美国任务，开普勒，将于四月发射。预计它将发现数百颗地球，包括围绕类似太阳的恒星以类似我们地球的距离运行的第一批行星。然后，在 2013 年，美国宇航局将发射一台名为詹姆斯·韦伯空间望远镜的巨型红外望远镜。韦伯是一个多功能天文台，并非为跟踪科罗特和开普勒的发现而设计。但是，如果发挥到极致，它可能能够提供生命存在的第一个迹象——比如行星大气中的氧气这种可疑分子——在一颗围绕另一颗恒星运行的超级地球上。到 2014 年，头条新闻可能会宣布太阳系外生命存在的第一个初步证据。
去年 11 月一个下雨的星期二下午，科罗特项目首席科学家安妮·巴格林 (Annie Baglin) 坐在巴黎丹费尔-罗什罗广场附近一家咖啡馆的窗边喝茶。这一天过得并不轻松。法国铁路工人因退休福利问题罢工，导致通勤列车停运，使巴格林无法前往位于巴黎天文台郊区园区的办公室。铁路工人和其他公务员正沿着巴格林家附近的蒙帕纳斯大道游行，挥舞着鲜红的信号弹，空气中弥漫着氯气味；大道旁，全副武装、手持盾牌的防暴警察紧张地待命。巴格林迟到了咖啡馆的约会，穿着她所说的能让她更容易辨认的深粉色外套，她解释说她的车被拖走了——显然交通协管员没有罢工。从咖啡馆出来后，巴格林将去牙医那里拔牙。好的一面是，她的航天器运行得非常顺利。
当巴格林开始讲述这艘小航天器原则上可以发现许多岩石行星的故事时，她细细的高音有时被外面警报器的噪音淹没。她是一位身材矮小的 70 岁女性，留着短而灰白的头发，举止热情干练——她的父母都是学校老师。巴黎天文台网站上关于她的一份简短简介题为“安妮·巴格林——永不言败”。她解释说，让科罗特发射升空是一段漫长而艰苦的旅程，充满了官僚机构的“濒死体验”。
她从未打算成为一名行星猎人。在 20 世纪 80 年代中期，她和她的同事们提出了一项空间望远镜计划，旨在进行恒星地震学研究——通过分析恒星表面的振动来研究恒星的内部运作，就像地震学家通过分析地震来研究地球内部一样。法国和欧洲航天局对这个想法不置可否。然后，1995 年，米歇尔·马约尔 (Michel Mayor) 和他在日内瓦天文台的同事宣布发现了第一颗系外行星。巴格林和其他所有人都立刻意识到，一艘旨在探测由星震引起的光线波动的航天器也可能能够探测到行星。巴格林说，突然之间，“我们变得炙手可热。事后看来，可以说如果不是系外行星的发现，我们永远不会被批准实施科罗特项目。这就是它的卖点。”
科罗特于 2006 年 12 月发射，因此它是一艘重 1300 磅的航天器，执行两项截然不同的任务。目前还没有望远镜能够拍摄到即使是巨型系外行星的照片；天文学家将这项任务比作在数千英里外的手电筒旁拍摄萤火虫。马约尔和他的同事们表明，通过一种称为天体测量学 (astrometry) 的技术，可以探测到由轨道行星引力引起的恒星光线的微小摆动。自那以后发现的约 300 颗系外行星大多是通过这种方式找到的。但科罗特依赖于另一种最近在地面搜索中也脱颖而出的技术。这种技术称为光度测量法，它探测到当行星从恒星前方凌星时，恒星光线中微小但规律的变暗。
行星凌日搜索与星震观测的共同之处在于需要长时间凝视同一颗恒星——足够长的时间来探测非常缓慢的振动或探测到至少三次行星凌日。否则，你无法确定你看到的究竟是星震还是行星，而不是星光中的随机波动。科罗特在切换到另一个区域之前，会凝视天空中的同一位置长达 150 天。“科罗特是禅宗，”巴格林说，“一旦我们设置好，我们就不动了。我们甚至不呼吸。”
这艘宇宙飞船的 27 厘米（10.6 英寸）望远镜可以同时监测多达 12,000 颗类太阳恒星。获得大量的样本至关重要，因为在那些拥有行星的恒星中，只有百分之一的恒星会以行星从恒星前方经过时从地球上可见的方式排列。望远镜测量精度已超出其制造商的预期。“如果科罗特观测圣诞节期间香榭丽舍大街上闪耀的 100 万个灯泡，”巴黎天文台在 2007 年圣诞节前几天发布的一份新闻稿中说，“它将能够检测到单个灯泡是否在闪烁。”这种百万分之几的灵敏度应该允许科罗特检测到由半径仅为地球两倍的凌星行星引起的恒星光线下降——甚至可能更小的行星，只要其轨道比水星更紧密，以便行星在 150 天的观测期内完成三次凌星。
发射后不久，包括巴格林在内的科罗特科学团队发表了一份任务描述。该描述以以下预测结束：“预计第一批被证实的类地行星将于 2008 年春季出现。”然而，到去年春天，科罗特团队只宣布了两颗新的“热木星”和一颗未确认的超级地球，还有 40 颗候选行星正在研究中。仅仅看到凌星现象是不够的；恒星光线周期性下降也可能由一个过于暗淡而无法直接探测到的小伴星引起。为了确认一颗行星，科罗特的候选行星必须在地面上使用摆动技术进行观测，该技术可以确定凌星天体的质量；行星的质量将比伴星轻得多。但是，地面望远镜的时间竞争非常激烈，尤其是有如此多的行星猎手在场。“这是一个真正的瓶颈，”劳林说。
开普勒号飞船镜头的聚焦机构。| 由 Ball Aerospace 提供
鲍尔航天公司
巴格林对急躁或要求她迅速宣布发现的压力没什么耐心。“发现这些东西可不像发现你脸上的鼻子那么容易！”她去年十一月离开咖啡馆去牙医那儿之前大声说道。她指出，瑞士天文学家梅约尔收集了 20 年的数据才宣布他的第一颗系外行星。“所以当人们对我说，‘你们还没有任何结果’，而我们才刚在轨道上运行了一年时，我就会说，‘住手！行行好！’三年后我们会有结果，表明小型行星有多常见。大型行星我们知道会找到。我们正在寻找小行星。它们到底存在不存在？”
那如何判断上面是否有生命呢？“对我来说，那不是一个大问题，”巴格林说，“全面理解宇宙比在像太阳这样的恒星周围寻找像地球这样的行星上的生命更让我感兴趣，尽管那是我们竞争对手的公开目标。那不是毫无趣味，但也不是让我兴奋的。我觉得那非常拟人化。”
科罗特的竞争对手是开普勒，而巴格林的竞争对手是美国宇航局艾姆斯研究中心（位于加利福尼亚州山景城）的天体物理学家威廉·博鲁奇 (William Borucki)。1984 年，博鲁奇发表了他对两人最终都将使用的凌星技术的第一份描述。当时，巴格林正对后来成为科罗特的任务产生初步的想法，但还没有寻找行星的念头。然而，巴格林这位不情愿的行星猎手，却抢在博鲁奇之前将科罗特送入了太空。现在他正紧追不舍。开普勒的官僚历史比科罗特更加曲折，但该航天器定于 2009 年 4 月 10 日发射，天文学家们指望它能解决地球有多普遍的问题——这一结果将指导未来宇宙生命搜寻的整个方向。
博鲁奇清楚地记得他 1984 年发表在《伊卡洛斯》杂志上的那篇论文所产生的影响。“没有任何影响，”他说，“它基本上被忽视了。”当时大多数研究人员认为寻找其他行星的方法是天体测量学。博鲁奇坚信通过光度测量法寻找行星凌日会更简单、更便宜。他认为，测量恒星随时间变化的亮度，所需的空间望远镜要比试图拍摄足够清晰以分辨行星或恒星轨迹中微小环的图片小得多。
然而，博鲁奇的同行们持怀疑态度——首先，地球凌日是否能从恒星波动光的背景噪音中分辨出来；其次，他提出的同时监测 5,000 颗类太阳恒星是否可能。20 世纪 80 年代对太阳的研究消除了第一个异议；恒星光线噪音远低于天文学家此前的预期。在几天的时间内（这是地球从恒星前方经过所需的时间），太阳的输出仅变化约百万分之十，而地球的凌日会使其变暗百万分之八十四。
因此，这种凌日现象原则上是可探测的，但博鲁奇最初的探测器想法仍然引起了人们的关注。他想在一块金属模板上钻 5000 个孔，每个孔对应一颗恒星，然后将其放置在望远镜的焦平面附近，每个孔后面都有一个单独的光电二极管和集成电路。“行业内的人甚至拒绝与我们讨论这种设计，”1992 年被博鲁奇拉入其研究的副首席研究员戴维·科赫 (David Koch) 回忆道。博鲁奇的基本概念最终被电荷耦合器件 (CCD) 的出现所挽救——这种光敏芯片当时是新事物，现在已用于数亿台数码相机中。CCD 可以同时记录许多恒星的亮度，从而消除了对数千个光电二极管的需求。
博鲁奇和科赫于 1994 年首次向美国宇航局提出他们的任务；他们将其命名为 FRESIP，意为“地球大小内行星的频率”。他们在 1996 年、1998 年和 2000 年再次提出。“每次他们都带着一份我们未被选中的理由清单回来，”科赫说，“他们说，‘这行不通，因为这个，这行不通，因为那个。’然后我们回去继续研究，直到我们消除了他们所有不能选择我们的理由。”例如，研究人员确保旋转陀螺仪的微小振动不会淹没来自行星的信号，这些陀螺仪用于使望远镜指向目标。航天器的名称更容易推销。在第一次提案之后，科赫建议将其命名为开普勒，以纪念行星运动定律的发现者。2001 年，美国宇航局最终批准了这项任务。与此同时，欧洲的科罗特也获得了批准，尽管预算要低得多。
尽管法国人赢得了进入轨道的竞赛，但开普勒望远镜的直径将达到 95 厘米（37.4 英寸），是科罗特望远镜直径的 3.5 倍，视场也大 10 倍以上。最重要的是，它将绕太阳轨道运行，尾随地球，而科罗特则在极地低地球轨道上。为了避免过于接近太阳或地球，科罗特每年必须旋转 180 度两次，这就是它不能长时间（超过五个月）观测一组恒星的原因。开普勒在绕太阳运行时，将在整个任务期间凝视同一个点——这将使其能够探测到真正的地球类似物，即那些以大约一年周期围绕类似太阳的恒星运行的行星。“法国人将发现第一个地球大小的行星，”博鲁奇预测，“但这些行星不会在宜居带中。我们将在宜居带中发现第一个。”
实际上，他预计会找到数百个。开普勒的视场覆盖 100 平方度，约占天空的 0.25%，或者像科赫说的那样，“大约是大熊座的两勺”。科赫在美国海军天文台恒星目录中选择了最富含恒星的区域。它位于银河系平面之外，织女星和天津四之间。在该视场中编目的 1300 万颗恒星中，开普勒将监测那些在大小、质量和年龄上与太阳最相似的恒星——那些像我们自己的恒星一样安静而沉稳的恒星。它的 42 个 CCD 探测器位于望远镜焦点的外部。“你不必拥有清晰的图像，”博鲁奇解释说，“事实上，模糊的图像更好”——星光会分散到更多的像素上，这使得它们不会那么快饱和。因为它拥有 CCD，开普勒将能够同时监测 100,000 颗恒星。它将发现其光输出中小至百万分之十的变化。
当开普勒于 4 月 10 日从卡纳维拉尔角升空时，博鲁奇已经为此付出了 17 年。“你不会花这么长时间，然后在完成 90% 的时候放弃，”他说，“我想看到答案。我想把数据握在手里。我想写一篇论文，说明‘地球有多少颗’。”他可能一个也找不到——这将是所有结果中最令人惊讶的。博鲁奇和行星搜寻行业中的任何人都不会预期或希望出现这种情况。那将意味着地球充其量也极其罕见。那将意味着我们很可能在银河系中，甚至在宇宙中都是孤独的。
到开普勒公布其首批结果时，系外行星的格局无疑又将发生变化。世界各地的天文学家都在寻找第二颗地球。去年五月，美国宇航局的德雷克·德明正在收集数据，他希望这些数据能揭示一颗位于红矮星（一颗小型且相对凉爽的恒星）格利泽 436 宜居带内的超级地球；美国宇航局允许他使用名为 Epoxi 的航天器，该航天器正在前往与一颗彗星会合的途中，以观测几颗已知拥有行星的恒星。同样在去年五月，旧金山州立大学的黛布拉·费舍尔开始在智利用一台小型望远镜观测半人马座阿尔法星，这是一对类似太阳的恒星，也是离地球最近的恒星。根据格雷格·劳林的一个想法，她认为通过持续观测几年，她不仅可能发现一颗地球，还可能发现一颗水星和一颗金星。“我们追求的不是仅仅是第一颗地球，而是第一个类地行星系统，”她说，“这是一个相当大胆而疯狂的计划。”
尽管开普勒和科罗特专注于可能支持真正地球类似物的类太阳恒星，但地面望远镜的大部分活动都集中在红矮星上，原因很简单，行星在那里更容易被发现。与太阳相比，类地行星会在红矮星上引起更大的摆动和更深的凌星现象，如果行星位于宜居带内，这种效应会更加明显——因为宜居带（液态水可以存在的地方）距离凉爽的红矮星更近。2007 年秋天，哈佛大学的大卫·沙博诺 (David Charbonneau) 开始在亚利桑那州部署一个小型望远镜网络，该网络将专注于探测红矮星宜居带内的凌星超级地球。瑞士和加利福尼亚团队认为他们也可以用摆动技术做到这一点。他们迄今发现的超级地球中，一些——包括格利泽 876 周围的行星——围绕红矮星运行，尽管没有一颗位于宜居带内。
没有人能确定红矮星宜居带中的岩石行星是否真的宜居。事实上，直到最近，天文学家还认为不会。一颗如此靠近恒星的行星，在其存在的早期，可能已经被恒星的耀斑轰击和灭菌。它可能被引力锁定，一面总是指向恒星，就像月球总是同一面指向地球一样。在这种情况下，整个大气层可能已经在黑暗面冻结并降雪，使行星没有空气，一片荒芜。但在发现木星大小的行星在不到两天的时间内绕恒星运行，打破了一些先入之见之后，行星猎人对其他行星的看法不再那么自信。一些人现在认为，生命可能会在红矮星行星上出现，在恒星老化且其耀斑平息之后；行星上的风可能会将热量从一个半球输送到另一个半球，防止大气层冻结。在 2005 年关于红矮星的研讨会之后，SETI 研究所的吉尔·塔特 (Jill Tarter)（一位关于外星生命的主要思想家）和她的同事们发表了一项分析，使许多研究人员相信红矮星是地球猎人值得关注的目标。鉴于红矮星是银河系中最常见的恒星，也是地面望远镜最容易观测到的目标，这是一个令人高兴的结论。
但是，即使首先在地面上发现了一个宜居的类地世界，也很可能需要一个太空天文台来寻找告诉我们真正想知道的化学信号：那里有生命吗？如果这颗行星可以被观测到凌星现象，那么在未来几年内就有可能提供一个答案的线索。当一颗凌星行星从其恒星前方经过时，一些星光会穿过行星的大气层并继续射向地球——减去被大气中分子吸收的某些光谱频率。2001 年，查博诺和他的同事们利用哈勃望远镜以这种方式探测到了第一个系外行星大气层；他们说，它属于一颗名为 HD 209458 b 的热木星，并含有钠。三年后，查博诺发现自己与德明展开了一场竞赛，争夺第一个探测到行星凌日的反面——被称为二次掩食的时刻，即行星从其恒星后面经过的时刻。这一次，德明正在用斯皮策空间望远镜（一个轨道红外天文台）观测 HD 209458 b。他知道，查博诺在一个月前收集了另一颗热木星的数据。“我们不想屈居第二，”德明回忆道，“我边吃圣诞晚餐边分析数据。我必须赶上戴夫。”最终他们同时发表了论文并举行了联合新闻发布会。
他们各自首次做到的，是探测到系外行星的光子。目前还没有望远镜能够将系外行星与它的恒星在空间上区分开来；它们之间的距离太小，亮度对比度太大。一颗木星大约会为一颗类太阳恒星的可见光增加十亿分之一的亮度，而为恒星的红外辉光增加万分之一（行星发出的热量比反射的星光多）。通过斯皮策望远镜观测恒星和行星的综合红外辐射，然后减去当恒星遮挡行星时仅从恒星记录的辐射，德明和沙博诺探测到了行星自身的热量。由此他们可以计算出行星的温度；沙博诺的团队此后已经能够绘制出他们的系外行星 HD 189733 b 的粗略天气图，显示强风一定正在其表面散布热量。其他使用二次掩食技术的团队也探测到 HD 189733 b 大气中存在水蒸气和甲烷的证据。
这些发现是为了更艰巨的任务进行的试验，即分解一颗类地行星的光线，这颗行星比迄今为止研究过的热木星小得多，离其恒星也远得多（因此也暗得多）。斯皮策望远镜并非为测量热木星的光谱而设计，但它做到了。而詹姆斯·韦伯空间望远镜（定于 2013 年取代斯皮策）也并非为探测类地系外行星的光谱而设计——但凭借其 6.5 米（21.3 英尺）的镜面，直径几乎是斯皮策的八倍，德明和沙博诺认为它可能会做到。其他天文学家则更为谨慎。“我当然不会声称 JWST 将证明宜居性，因为它做不到，”该天文台的项目科学家马克·克拉姆平 (Mark Clampin) 说。
麻省理工学院的萨拉·西格 (Sara Seager) 与德明合作，正试图找出行星大气中哪些光谱特征能提供生命存在的最佳证据。水蒸气表明存在液态地表水，这是我们所知生命所必需的，但并非充分条件。氧气，如果不是植物持续产生，很快就会从地球大气中反应掉，更接近于确凿的证据，尤其是当它与甲烷同时出现时。此外，还有西格所称的“植被红边”：在 700 至 750 纳米的波长范围内，即可见光范围的红色端，叶状绿色植物的反射率急剧增加，达到绿色波长下反射率的四到五倍。
韦伯望远镜是否能探测到这样的信号尚不清楚，即使能，数据也可能不具决定性。德明和沙博诺的二次掩星技术，尽管巧妙，但缺乏区分生命和其他事物的能力。要做出这种区分，将需要一种新型的空间望远镜。这就是科罗特，尤其是开普勒的用武之地。不幸的是，它们不会为未来的空间望远镜提供目标。为了监测许多恒星并最大限度地增加发现地球的机会，开普勒被迫监测遥远的恒星；它发现的任何地球最有可能距离约 300 光年，对于任何目前可想象的空间望远镜来说都太远了，无法获取其光谱。开普勒所做的将是告诉天文学家——以及美国宇航局和欧洲空间局——需要什么样的空间望远镜。如果几乎每颗类太阳恒星都有一颗地球，我们可能会在一个相对较近的恒星周围，用一个相对较小的望远镜找到生命。如果地球稀有，那么下一台望远镜就必须很大。
最终，这样的望远镜将会建成——如果发现的速度保持如此之快，那么这一天会来得更早而非更晚。找到令人信服的外星生命证据可能需要几十年，但考虑到其重要性，这不算长。“纵观有记载的历史，我们一直有这样一个问题：我们是孤独的吗？”塔特说，“几千年来，我们所能做的就是询问哲学家。突然间，我们有了一种不基于信仰体系来寻找答案的方法。我生活在第一代能够做到这一点的地球人中。我认为这非常令人兴奋。”
其他天文学家也深切感受到他们探索任务的历史意义。今年秋天，在开普勒号前往卡纳维拉尔角进行发射之前，最后安装在其上的物品之一将是一块金属铭牌，上面刻有为该任务做出贡献的所有 2000 名科学家、工程师和管理人员的姓名，该任务将持续到 2012 年。开普勒号将围绕太阳进行为期 53 周的轨道运行，这意味着它将稳步地落后于地球。“它每年会损失一周的时间，”博鲁奇说，“所以发射 53 年后，它将回到地球。届时，我预计人们会上去取回这艘飞船，并将其放入史密森尼博物馆。我知道这听起来有些牵强。但我真的认为这会发生。”
