十五年前，两位瑞士天文学家发现了一颗行星围绕着类似太阳的恒星飞马座51运行。在此之前，没有人知道我们的太阳系是否独一无二；现在我们已经有了500多个系外世界的目录。
我们仍然不知道除了地球之外是否有任何行星孕育着生命，但这种情况可能很快就会改变：科学家们越来越乐观地认为，他们将在未来几年内在某个外星行星上找到生物活动的证据。《发现》杂志与三十米望远镜和加州理工学院合作，邀请了该领域的四位顶尖研究人员讨论这一非凡发现可能如何展开。
Gibor Basri是加州大学伯克利分校的天体物理学家，研究拥有行星系统的恒星。John A. Johnson是加州理工学院的天文学家，负责搜寻和表征其他恒星周围的行星。Sara Seager是麻省理工学院的行星科学家和天体物理学家，其研究重点是了解系外行星的大气层和内部。Tori Hoehler是美国宇航局艾姆斯研究中心的天体生物学家，研究地球上的生物如何在其环境中产生可检测的变化。此次对话在加州理工学院举行，由《发现》杂志的“糟糕天文学”博主Phil Plait主持。
最近天体生物学领域的发现最让您兴奋的是什么？它们如何改变我们对自己在宇宙中位置的看法？
Gibor Basri：我教天文学已经28年了。早期，我总是不得不对课堂说：“其他恒星周围可能存在行星，但我们真的不知道。”现在能够停止这样说，并开始说：“我们知道有行星存在，而且我们正在发现越来越多的行星。”这真是一个巨大的突破。
Tori Hoehler：对我来说，其中一个方面是发现了宇宙中这些绝对奇异的行星。你真的必须拓宽你对生命是什么、它能忍受什么以及它可能存在于何处的思考方式，然后尝试将它置于所有这些奇怪、不同的世界中。还有那些被思考了很久的问题：“我们是孤独的吗？生命普遍存在吗？”这不是我们可以根据我们唯一的生命例子来限制的，但现在我们有可能获得一些关于这个问题的有效统计数据——看看我们认为生命可能出现的地方，并获得一些关于这种情况发生频率的证据。这类观测还需要很长时间才能实现，但潜力是存在的，系外行星研究是其起点。
研究其他恒星周围行星的下一个突破是什么？
Basri：重磅新闻是开普勒任务[美国宇航局搜寻地球大小系外行星的任务，于2009年3月发射]，它正在收集数据，并且已经收集了一年多。这是人类首次能够认真地寻找其他恒星周围的类地行星。我们希望它能告诉我们银河系或宇宙中类地行星的频率。这是这个难题的重要组成部分。开普勒基本上是一个巨大的、9800万像素的数字相机。它使用凌日法寻找行星：你只需等待行星在轨道运行时从其恒星前面经过。当它这样做时，行星会阻挡恒星的一小部分光线。相机将测量恒星亮度的下降，如果行星确实是造成这种下降的原因，它将再次出现并一次又一次地造成相同的下降。这就是任务的本质。开普勒已经发现了许多潜在的有趣事物，但很容易被愚弄。例如，恒星从其他恒星前面经过也会导致信号下降。所以现在该项目正在筛选700个这些潜在的发现，试图找出哪些是真正的行星。但我认为可以肯定地说，类地行星将在明年内公布。
Sara Seager：我们必须对此保持谨慎。“类地行星”对天文学家而言，仅指岩石质且大小与地球大致相当；它不一定意味着可居住。行星与恒星的距离各不相同。地球离太阳很远。开普勒发现的第一批地球大小的行星可能离它们的恒星非常近，所以它们会非常热，可能太热了，复杂分子无法存在，也太热了，生命无法生存。这些行星可能与地球相去甚远。
所以当我们发现一颗岩石行星时，它可能更像金星——表面温度高达900华氏度——而不是地球。我们如何迈出下一步，确定我们发现的任何行星是否能够支持生命？
Hoehler：思考宜居性有两种方式。一种方式有助于我们了解宇宙中生命存在的可能性。因此，当我们用开普勒这样的工具进行探测时，我们应该尽可能广泛地考虑宜居性，尽可能将生命设想为能力无限，从而对宇宙中可能存在的宜居空间有一个整体的认识。[例如，在我们的太阳系中，木星卫星欧罗巴冰层下或土星卫星恩克拉多斯的间歇泉中可能存在某种形式的生命。]
但是，如果我们想开始缩小范围到一个可以实际寻找生命的地方，那么我们应该相当严格。为了得出一个能说服很多人答案，我们需要找到一个我们可以广泛认同的地方，“是的，这些是正如我们相当清楚地了解的生命迹象。”所以我们应该做什么取决于当时可用的技术。如果你有技术，下一步就是尝试说一些关于行星大气层的事情。这在原则上相当简单。实际上，我认为这将是一项艰巨的任务。
Seager：为了进一步阐述，我们希望观察大气层并寻找不寻常的物质。我们自己的大气层按体积计算含有20%的氧气。如果一个外星文明从远处观察我们，并且它对化学有所了解，它就会知道我们拥有的氧气量比我们应有的氧气量多出数百万到数十亿倍（如果没有地球上的生命）。除了生物的活动之外，很难找到任何其他过程能够产生如此大量的氧气。所以我们正在寻找一种大气层，其中含有我们无论如何都无法想象到的化学物质。
Hoehler：这确实也是一个程度问题。很长一段时间以来，人们认为在行星大气中发现氧气和甲烷是生命存在的确凿证据。但这些物质在火星上少量存在，没有人提出火星上有光合生命。也许有深层地下微生物产生甲烷，但也许没有。我们可以将其视为生命证据的化学特征少之又少，在大多数情况下，这些观测结果还有其他解释。当我们发现一些东西时，我们将不得不问，这除了生物学方式之外，还有其他方式可以产生吗？当我们观察大气时，重要的是：如果你将整个大气层中所有能发生反应的物质都反应掉，会释放出多少能量？以这个标准衡量，地球大气层和火星大气层相差大约6万倍左右。这就是我们需要能够进行的表征。
假设我给了你一张一万亿美元的支票，让你去寻找其他星球上的生命。你会怎么用它？
John A. Johnson：我和耶鲁大学、宾夕法尼亚州立大学的合作者们已经提出了一个请求——不是一万亿美元，而是一笔可观的资金——用于建造下一代仪器，以实现下一个巨大的飞跃：寻找真正的类地行星。凭借我们目前的探测技术，我们正在发现这些有趣的被称为超级地球的东西。这些行星的质量大约是地球的5到10倍，我们通过观察行星在恒星中引起的引力摆动来发现它们。我们想做的是将质量降到大约三个、两个和一个地球质量，为此你需要确保你用来测量这些摆动的仪器非常稳定。我们手头有技术可以稳定我们的仪器，将行星质量降到恒星周围宜居带中大约三个地球质量。在那之后再进一步，我们可以将质量降到单个地球质量。我们距离迈出下一步就差一张支票。如果你给我一万亿美元，我会建造三个这样的新仪器，并用它们来寻找最近、最有趣的行星。然后我会把剩下的钱交给美国宇航局，他们只需要其中的千分之一就能建造卫星，去拍摄行星的图像，看看它们是否真的适合居住。
Seager：很高兴你只想要几十亿，因为剩下的我肯定能用得上！我们认为每颗恒星都有行星。这基本上就是我们现在所看到的。我们最近的恒星，半人马座阿尔法星，实际上是两颗星，A和B。它们是类太阳恒星。没有人发现它们周围有任何巨大的木星大小的行星；我们已经排除了这一点。但也许有一颗地球大小的行星。我会说，用一万亿美元，你可以开发一种以十分之一光速旅行的方式。半人马座阿尔法星距离我们四光年，所以以这个速度，你可以在40年内到达那里。我会找一个20岁的志愿者去那里，告诉我们她看到了什么。用远低于一万亿美元的资金，只需再多一点技术开发，我想我们就能弄清楚如何区分金星般的行星和地球般的行星。它们的大小和质量大致相同，但金星不适合居住。我们可以建造一种特殊的太空望远镜来帮助我们区分。它会阻挡来自恒星的光线，这样我们就可以直接看到行星，观察它们大气层中是否有氧气、臭氧或其他不应该存在的东西，然后这样继续前进。
即使没有万亿美元的资金，你们所有人都在我们对其他恒星周围行星的理解方面取得了巨大进步。您认为这项工作在未来一二十年内会走向何方？
Seager：大约十年前，我在这里加州理工学院做了一个关于其他行星大气层的演讲。我不认为听众中有任何一个人相信我们能进行任何测量。十年后，我们现在已经测量了三十多颗系外行星的大气层。[Seager 最近编辑了第一本关于该主题的教科书，名为《系外行星大气层》。] 这些是巨大、炽热的行星，几乎可以肯定没有生命。但我们正在练习，利用过去十年开发出的工具来理解它们。我认为在十年内，我们将有几个位于小恒星宜居带中的行星样本，我们将有数据来研究它们的 атмосфер。John 会为我们找到一大批可以进一步研究的行星。这些行星不会完全像地球——它们会更大，围绕更小的恒星运行——但我们会找到它们。
最终，你可能会在晚上带着你的孩子或孙子孙女出去，指着一颗明亮的星星说：“那颗星星有一颗像地球一样的行星。”我们需要观察大气层才能做到这一点，而这正是我们计划做的。我们甚至可能在这么快的时间内，也就是十年后，找到生命的迹象。
Johnson：最近的一项发现再次突出表明，惊喜不断涌现，那就是发现了一批反向轨道运行的行星。我们太阳系中的所有行星都以相同的方向运行，也就是我们恒星自转的方向。这反映了我们认为行星形成的方式，即由恒星周围扁平的气体和尘埃盘形成。我们着手对其他行星进行所谓的自旋轨道测量。起初看起来一切都像我们太阳系中那样对齐。然后突然我们发现了一些倾斜的轨道，然后我们发现一颗行星绕着它的恒星倒着转。所以我不敢预测十年后的事情；这种结果表明几乎不可能预测。但所有导致我们能在其他行星上检测到生物特征的事情都将是令人兴奋的。
Basri：我们已经了解到，我们对系外行星，包括它们的形成方式、分布以及其他一切，真的知之甚少！发现的第一颗系外行星完全出乎意料。它是一颗在极短轨道上的木星大小的行星，这完全是意想不到的。但现在我们正处于了解岩石类地行星在宇宙中是否普遍存在的边缘。那将是一个非常有趣的结果，并且在它发生时身临其境是非常令人兴奋的。
假设我们真的找到了确凿证据：在某个外星世界存在生命的决定性证据。应该如何处理这一公告？
Hoehler：现实是，我们只会得到某个遥远光点大气中的气体。我们甚至不会有气体，只会有光谱中的小波纹，所以我不知道是否会有明确的“确凿证据”。如果你听到一个声明说我们有95%的把握某个行星的大气中似乎含有大量氧气，所以可能存在生命——我会被这种事情震撼到。但对于大多数人来说，那会是一个惊人、令人满意的结果，还是仅仅像“好吧，那很好”？
Johnson：唯一真正确凿的生命迹象将是SETI（搜寻地外文明）信号：一条信息，上面写着“我们在这里！”如果发生这种情况，我想你无法隐瞒。那会对所有人来说都令人兴奋，并且会产生广泛的影响。如果没有，就会有保留意见，人们会相应地做出反应。
听众提问： 看来我们只在寻找像地球一样的行星和我们所知的生命。我们是不是应该拓宽视野？
Johnson：我们可能面临着与我们最初寻找行星系统时相同的情况。我们以为会找到那些应该在（远离恒星的）位置上的、表现良好的木星，但我们发现行星无处不在。这就是样本量为一的问题。我们在生命问题上也可能面临相同的情况。
Hoehler：从哲学上讲，我完全同意你的观点。我希望其他地方也有生命，而且我希望它们与我们奇特地不同。话虽如此，你越深入细节，我们这种生命，广义地分类，似乎做了很多其他方式难以做到的事情。但重要的是，你几乎找不到或检测不到任何特定于一种生命的东西——它的构成，它有什么样的生物分子等等。相反，你寻找生命正在做什么。生命必须比非生物过程更快地传导和利用能量才能生存，而这正是我们正在寻找的：通过它似乎正在使用的能量量，显著地将生命与非生命区分开来的东西。不仅仅是那里是否有东西，而是那里有多少。这就是我们要寻找的信号。
Basri：我喜欢这种观点的原因是，即使是机器人生命也符合要求。如果机器人正在产生和利用大量能量，那就会显现出来。因此，寻找能量是一种更普遍的方法。
听众提问：我们通过无线电信号让我们的星球变得嘈杂，这些信号可能在光年之外被探测到。其他先进文明可能也在做同样的事情。我们是否正在寻找这些信号？
Basri：是的，我们之前提到的SETI现在范围更广了，但它始于无线电波。人们正在寻找你所说的东西。伯克利的艾伦望远镜阵列正在从事这项工作；保罗·艾伦为此捐赠了2500万美元。现在大约有60台射电望远镜正在扫描天空寻找这些信号。那将是搜寻生命的最终答案：如果你收到一个智能信号，那么你就确定无疑了。
