很少有研究者能够从根本上改变我们对自己在宇宙中位置的认识。16世纪，尼古拉斯·哥白尼通过论证地球是众多围绕太阳运转的行星之一，改变了这一认知；1924年，埃德温·哈勃通过证明我们的星系只是众多星系中的一个，改变了这一认知。今年，《Discover》杂志表彰了哈佛大学天文学家David Charbonneau，他的研究可能很快就会带来同样令人震惊的发现：通过研究外星世界，他或许能找到地球以外存在生命的第一个直接证据，一个标志着我们居住的地球——再一次——只是众多行星之一的迹象。
天文学家目前已知围绕附近恒星运行的行星大约有200颗，每年都会发现越来越多的这类所谓的“系外行星”。许多新发现的行星都非常奇特，以至于科学家们不得不创造新的术语，如“热木星”和“超级地球”来形容它们。Charbonneau就像一位天体侦探，系统地调查这些不可思议的行星并揭示它们的秘密。1999年，他领导的团队首次观测到了一颗凌日系外行星——一颗直接从母星与地球之间经过的行星。通过分析行星如何阻挡部分星光，Charbonneau可以了解行星大气中存在的哪些气体。2001年，Charbonneau和高空天文台的天文学家Tim Brown利用这项技术，“嗅探”了一个名为HD 209458b的巨大、炙热行星的大气层，尽管它距离地球150光年——是月球的40亿倍。就在几个月前，Charbonneau在哈佛的团队又取得了突破，创建了第一个系外行星的天气图。预报：炎热多风，与昨天、明天一样。
Charbonneau成为行星猎人的个人旅程始于他对成为一名海洋生物学家的渴望。他的父亲是一名医生，母亲是一名地质学家，Charbonneau从小就对科学并不陌生。青少年时期在安大略省长大，一次家庭度假期间，他参观了不列颠哥伦比亚省太平洋边缘国家公园的潮汐池，亲眼目睹了沙滩与海洋交界处生命的奇妙多样性。他对生物学的热情让位给了对物理学的热爱，当时他接触了狭义相对论、量子力学以及斯蒂芬·霍金的《时间简史》。理论物理学随后将他引向天文学，这种热情现在影响着他生活的方方面面（他的女儿们分别名叫Stella和Aurora）。
作为他的下一个目标，33岁的Charbonneau希望超越他迄今为止研究过的那些奇异而奇特的行星。现在他正在寻找一种更加熟悉的东西：一颗大小适中、带有生命化学印记的岩石行星，比如我们大气中丰富的（且难以解释的）氧气，这是植物通过光合作用产生的。Charbonneau希望改进凌日技术，以便能够检测和分析一颗类地行星大气中微弱的痕迹。如果他能在那样的世界里发现外星生命的迹象，我们将知道自己并不孤单。如果他失败了，那将强烈支持我们确实是独一无二的这一观点。这就是为什么David Charbonneau是《Discover》杂志的年度科学家。
您是第一个使用凌日法研究系外行星的人之一，这项技术突然变得非常流行。为什么是现在？
它之所以突然奏效，可能有两个原因。一是，天文学界已经慢慢地学会了如何日复一日、夜复一夜地获取数万颗恒星的优质数据。我们也越来越擅长理解我们数据中的绝大多数微小闪烁和信号。另一个原因是“为什么是四年破纪录的赛跑？”（Why the four-minute mile?）的原因。为什么在1954年之前人们跑不出四年破纪录的赛跑？当时存在一种观念，认为这非常困难，甚至可能无法实现。大多数天文学家认为大多数太阳系看起来都和我们的一样。这意味着足够大的行星，那些能阻挡足够多光线的行星，距离它们的恒星都很远。这意味着它们可能每隔几年才凌日一次，而不是每隔几天。根据这个模型，凌日的概率非常小。没有人去寻找，因为我们被根深蒂固的想法所束缚。
您研究过的一些行星是怎样的？它们有多奇怪？189733b围绕一颗K矮星运行，这是一种比太阳小、更红的恒星。基本上，它的恒星比太阳“瘦弱”得多，所以这是一个较大的行星绕着一个较小的恒星运行。对于189733b，令人兴奋的是，这是我们真正对其外观有所了解的第一颗行星。我们实际上有了它的天气图。这是我脑海中有其物理地图的第一颗行星，因为我们已经能在一定程度上测量出了它的物理地图。我们知道哪里是热区和冷区等等。行星的夜面实际上相当热。情况并非必然如此——可能是这些行星白天非常非常热，夜晚非常冷，但显然存在着非常强的风，可以将能量传递到冷的一侧，所以这些行星的夜面实际上非常热。从某种意义上说，这颗行星感觉最亲近，因为我们有它的图像。
TrES-4是一个新出现的行星。我们对它的了解是它密度极低。我认为TrES-4将非常难以解释——它真的在挑战物理定律，试图理解它如何在应该因自身引力而收缩的情况下保持如此低的密度。
HD 209458b非常热。它离它的恒星很近；它每三天半绕恒星公转一次。它的温度可能大约是1400开尔文！它非常“蓬松”，密度非常低，这意味着考虑到它的质量——小于木星——它的直径比我们预期的要大，所以这颗行星的蓬松度仍然有些令人费解。它的恒星与太阳非常相似，可能稍微热一些。基本上，它的恒星是太阳的“孪生兄弟”，所以这很有趣，因为这颗恒星在年龄和质量方面与太阳相似，但它周围的行星显然与我们自己的太阳系的行星非常不同。
这意味着我们的太阳系是特殊的吗？
我们还不知道答案。我们对拥有类地[类似地球]行星的系统一无所知，因为还没有人以足够高的精度去寻找它们。我们所学到的是，系外行星系统的多样性是巨大的。我们太阳系的基本结构，即行星围绕恒星做圆周运动，有小型的岩石行星靠近恒星，大型气态巨行星远离恒星，这肯定不是唯一的结构。它甚至可能不是最常见的结构。制造行星系统有很多种方法，例如，行星可能在偏心轨道上运行，或者你可能拥有质量最大的行星紧贴着恒星，甚至比水星更近，而这些可能更为常见。
成为第一个看到系外行星的人是什么感觉？你知道，天文学中的发现时刻不再是透过目镜在望远镜旁，而是在电脑屏幕前分析数据。但仍然有那么一个时刻，当你制作出第一个图表，然后看向它——就在那里，毫无疑问，信号就在那里。当我们第一次测量这些行星实际发出的光，或者第一次检测到其中一颗行星有大气层时，那些都是非常明确的信号。当你第一次看到那个，那就是科学中最有回报的时刻。
您现在正在从事MEarth项目，该项目将寻找围绕“M矮星”（小型、昏暗的恒星）运行的类地行星。该项目何时投入运行，何时能产生初步结果？该项目目前正在亚利桑那州南部建造，我们希望在10月份有两台望远镜投入使用，然后在一月份再有六台，所以我们希望在2008年初开始这项勘测，名义上的勘测将持续三年。按照天文学的标准，我们的望远镜非常普通。这些望远镜是16英寸的，与我们常用于研究的10米[约400英寸]望远镜相比非常小。但我认为，在未来几年内，有人能够首次探测到位于恒星宜居带中的凌日行星，这并非不现实。
假设您发现了一颗与地球大小相同的行星。您如何寻找生命？
我们受到在地球上成长的环境的极大影响，但问自己“生命可能采取哪些不同的形式？”这是一个巨大的挑战。如果生命在化学上与地球生命截然不同，我们将很难识别它。更容易的问题是寻找与地球生命非常相似的生命。这可能将是我们的第一步。当我们谈论其他行星上的生命时，我们谈论的是我们所知的生命。
第一个测量是确定行星是否拥有大气层。我们所知的生命需要浓厚的大气层。然后，关键在于通过光谱分析大气层，寻找某些分子的存在。如果我们观察地球的光谱，会发现有大量的氧气。所有这些氧气都由生物活动驱动。地球大气层中含有大量氧气，尤其是在存在甲烷和其他会与氧气反应的物质的情况下，唯一的原因是存在这种驱动力，那就是生命，通过光合作用维持了这种平衡。我们试图看看生命是否在那个遥远的星系大气中做了我们知道它对地球大气所做的事情——这是一种很好的遥感方法；它不需要对生命做任何假设，比如生命想与我们交流或任何花哨的东西。
如果你退后一步，从太阳系中抽取地球、火星和金星的光谱，你会发现地球非常特别。金星和火星的大气层主要由二氧化碳组成，二氧化碳对生命来说不是一个很好的分子。然而，如果你没有看到这些[类似地球的]信号，也不能断定没有生命，因为生命可能完全不同；它可能以某种我们可能误认为是非生物过程、地质过程的化学途径进行。
您认为如果发现另一个有生命的世界，人们会受到怎样的影响？
从哲学上讲，如果星系充满了宜居行星，甚至可能还有其他文明，我认为人们会对自己的看法完全不同。或者知道地球确实是独一无二的，是唯一宜居的行星，这会影响许多人如何看待自己在宇宙中的位置。当我上学时，星星周围没有行星——当然它们在那里，但没有人探测到过。我的女儿们将在一个恒星周围总是有行星的世界里长大。她们将在学校了解到，当然恒星周围有行星——数以百计。到她们上学的时候，甚至几年后，可能就会有一千颗。也许等她们上大学的时候，而且希望在那之前，这只会成为一个事实，那就是有些行星上存在生命。将会发生这种惊人的变化，而她们将是在这个一直如此的世界里长大的。
当我们观察这些遥远的行星时，我们对自己在地球上的生命学到了什么？
嗯，我认为如果我们向前看，有一个非常明确的答案。如果我们能在其他行星上发现生命，我们想知道的是进化和生物学的基本规律是否是普适的。你可能会想生命是如何在地球上起源的。也许是这样，你只需要制造一颗具有大致正确性质的行星，生命就会不可避免地产生——生命会在任何这样的行星上自发产生，这是一个非常普遍的过程。或者也许这是一个非常罕见的过程。即使拥有所有正确的条件，这仍然是十亿分之一。所以我觉得这真的与我们息息相关。
对其他恒星周围行星的研究是否触发了任何新的特定研究？我们想了解我们在其他恒星周围的行星上观察到的许多分子。这些分子与地球上的分子完全相同，但我们现在想在非常不同的条件下，非常高的温度和压力下看到它们。因此，我们必须回到地球上进行研究。受系外行星研究的启发，我们学到了很多关于水和甲烷光谱特征的知识。这些分子对我们在地球上的生活至关重要。你可能会认为我们对水了如指掌，但事实并非如此。
在开始寻找行星时，您是否曾担心找不到任何东西？那时我非常担心我们找不到这些行星，或者这个领域不会变得非常丰富。看到这些风险得到了远远超出我预期的回报，这让我感到非常高兴。但只有接受一定的风险，才有可能取得真正新颖的发现。如果你进行一项保守的项目，你知道它会富有成效，也就是说它会产生一些结果，那么在这个项目中最激动人心的事件就有一个限度。如果那个事件不是什么能让你彻夜难眠的事情，那你又何苦走过场呢？
自您开始以来，行星搜寻发生了怎样的变化？也许10年前，肯定20年前——如果你谈论在其他行星上寻找生命，你会被认为是有点疯狂的，对吧？如果你是一名可能寻求终身教职的初级教员，这可能是一件非常危险的事情。而现在情况完全改变了——我认为现在有一种巨大的感觉，我们真的要让这项工作成功，我们将弄清楚如何实际研究我们探测到的行星的大气层，并寻找生物活动的化学特征。所以，这已经从一个疯狂的、永远无法被检验的科学想法，转变为一个真正处于大型资助机构，尤其是NASA核心地位的事物。
当仍然有很多关于我们自己的地球未知时，为什么还要寻找遥远的行星？回顾历史，你可以找到古希腊人的著作，他们谈论围绕其他恒星运行的行星上的生命。我认为，关于我们是否孤单地生活在这个宇宙中，这个问题一直困扰着人类。我认为这触及了人类灵魂的深处——我们如何看待自己在宇宙中的位置。在过去的一百年里，我们了解到宇宙的巨大物理尺度和年龄。现在的问题，就像一直以来一样，我们是否真的孤单？我认为每个人都愿意花一点钱来寻找这个问题的答案。
