我们在宇宙中是否孤独？从古至今，这始终是个谜题。曾几何时，人类认为“天外有天”，居住着神仙和天使。而今，人们早已知道，自己所居住的地球和所处的太阳系，在宇宙中并不独特。

要探索太阳系之外是否有和人类一样的生命存在，首先要知道是否有和地球一样可以支撑生命存在的行星。虽然以碳-氢-氧为基础的生命形式，未必是生命存在的惟一形式，但毕竟这是目前人类惟一知道的模板。

为了找到适合孕育生命的星球，科学家提出了“宜居带”（habitable zone）的概念，即一颗恒星周围的一定距离范围，在这一范围内，水可以液态形式存在。如果一颗行星恰好落在这一范围内，那么科学家就认为它有更大的机会能够承载生命，或至少拥有生命可以生存的环境。

自1995年人类发现第一颗围绕其他“太阳”运行的系外行星，至2016年5月之前，科学家们总共已发现2000多颗系外行星，其中包括12颗处于宜居带内。

2015年9月，美国国家航空航天局（NASA）曾发布重大消息，宣称找到了一个地球的“表兄弟”——开普勒452b。这颗位于天鹅座，距离地球1400光年的类地行星，与地球的相似度达到98%，直径约为地球1.6倍，公转周期为385天。

换句话说，我们即便以光速要到达这颗行星，需要几十代人的时间，我们现在看到的来自这颗行星的消息，发出的时候，我们还处在唐朝。

根据开普勒452b所处的气候历史阶段，这颗遥远的星球是个比地球大一号、年长一些的“表哥”，上面未必适合生命居住。目前，人们对这位“地球表哥”仍所知甚少。甚至连它的质量，星球主体及大气构成的主要成分也不知道。

寻找还在继续。不到半年，NASA再爆大新闻：2016年5月10日，NASA宣布发现1284颗系外行星，其中有9颗处于宜居带内。根据大小判断，这1284颗行星中约550颗很可能是与地球类似的岩石行星。

这个发现使已知的系外行星翻了1倍，超过了3200颗，这其中2325颗的发现归功于开普勒太空望远镜，同时，已知的宜居带系外行星也增至21颗。搜索能力的迅速提高，是否意味着人类找到另一个地球的速度会明显加快？另一个存在生命的“地球兄弟”何时出现？

半个世纪的寻找

科学家追寻太阳系外类地行星的行动，从上世纪60年代就开始了。当时，美国康奈尔大学的天文学家弗兰克•德雷克（Frank Drake）以著名童话《绿野仙踪》里奥兹国公主的名字，将寻找地外文明的计划（search for extraterrestrial intelligence，缩写SETI），命名为“奥兹玛计划（Project Ozma）”。他使用位于美国西维吉尼亚州的射电望远镜，尝试接收地球之外文明世界发出的无线电信号。

工作近200个小时后，他们的确发现了8个很强的信号，当时有些人还因此激动不已，可是深入研究以后却气馁了——原来这些信号都来自地球。

“奥兹玛”和“奥兹玛Ⅱ”计划后，世界各地又进行过多项搜索地外智慧生命的计划，均希望从不同频率上收听外星文明发来的信息。

1999年，著名的SETI@home计划开始进行，这项计划号召全球的个人电脑参与到外星信号的分析工作中来，至2005 年关闭，共有超过500万名志愿者参与进来。

虽然一无所获，德雷克提出的“绿岸公式”却在后续寻找外星文明的进程中一直沿用，这个方程用以推算大量恒星中存在文明的可能性。根据他自己的推算，在银河系的2000亿恒星系统中，大约有上万个拥有先进文明的星球，也就是说，大约在2000万个恒星中有1个先进文明的星球，其中最近的文明星球可能距离地球约1000光年。

此后，其他科学家也曾套用这个公式，推算出自己认为正确的结果。以太空题材作品闻名于世的科幻作家艾萨克•阿西莫夫（Isaac Asimov）认为，银河系大约存在50多万个文明星球。著名宇宙学家卡尔•萨根（Carl Sagan）的推算则是，银河系有超过100万个文明星球，在离地球1000万光年到2000万光年的范围内大概就能找到其中一个。

SETI计划的负责人塞斯·肖斯塔克（Seth Shostak）曾经在一次会议上对我保证，到2030年，SETI的搜索范围可以扩大到2000万光年，届时人类肯定可以找到其他文明发来的信号。

历经资金紧张的危机，SETI计划最终得以延续，其支持资金的一部分来自《超时空接触》的主演朱迪•福斯特，还有一些前宇航员。

被动接受外星信号，不如主动去寻找。早在SETI计划中，澳大利亚新南威尔士州的帕克斯64米射电望远镜观测了200光年以内约1000颗邻近的类日恒星，但是他们找到的系外行星，几乎全由炽热的气体组成，而不是由岩石和矿物组成的类地行星。

什么样的行星可能存在生命？

要寻找一个可以支持类似地球生命的类地行星，液态水或其他形式的液体是最基本的条件，而像碳、氢、氧、氮、硫、磷、钙、铁等物质，在任何有地质活动的行星上都很容易找到。

另一个必要条件是化学不平衡，这种不平衡的存在，以及不断恢复平衡的过程提供了新陈代谢必需的能量。

一直以来，水被认为是生命的基石。水可以充当大多数无机盐和葡萄糖等极性分子的溶剂，但无法与油和脂肪类分子相互混合。正是利用不同生物分子的亲水、厌水性质，生命过程中的许多关键反应才得以完成。

因此，在过去数十年中，寻找液态水一直被NASA以及主流科学家看成是寻找外星生命所遵循的最重要原则。

寻找外星生命的第一步，就是寻找有水的地方，这也是人类正在做的。截至目前，火星和欧罗巴（木卫二）上都显示曾经有水，或者现在仍有水存在的迹象。

扫出宜居星球

寻找水，并寻找可能存在液态水的行星，是寻找地外生命的第一步。

所谓“宜居带”，就是指恒星周围的一定距离范围，在这一范围内水可以以液态形式存在，如果一颗行星恰好落在这一范围内，那么它就被认为有潜力拥有生命，或至少拥有生命可以生存的环境。

2015年9月，NASA公布的“开普勒-452b”是迄今为止人类所发现的太阳系外位于宜居带上体积最接近地球大小的行星，这是在寻找太阳系外“第二地球”道路上的重要里程碑。然而，这颗行星距离地球远达1400光年，人类如果要到达那里，即便以光速行驶，也需要几十代人的时间。

距离地球最近的宜居星球，目前是50光年外的Gliese163c，它位于剑鱼座，其质量约为地球的6.9倍，围绕其中央母恒星Gliese 163的公转周期约为26天。

寻找太阳系外行星最大的困难，是行星本身不发光，反射的信号极其微弱，并且，恒星的光芒比周围行星亮100万到100亿倍，必须屏蔽掉恒星的光亮才能突出行星的特征。

实际上，NASA找到的这些行星都不是直接观测到的，而是天文学家通过观测恒星的亮度变化推断出来的。

这种方法称为“掩星法”。行星围绕恒星旋转时，每转一圈就会从恒星前经过一次，恒星的光也会被遮挡住一点。外界看来，这颗恒星就会周期性地变暗一点，从而推断出这颗恒星周边存在一颗绕其运转的行星。

过去，科学家寻找系外行星时，要对不同的恒星用“掩星法”逐个分析，一次只能发现一颗或少数几颗。但近几年来，用一颗恒星通常有多颗行星绕转的特点，科学家开发出“多重确认”的统计学技术，使得一次性“大批量”确认系外行星成为可能。

5月10日，NASA召开的电话记者会上，普林斯顿大学副研究员蒂莫西·莫顿（Timothy Morton）说：“今天，我们宣布开普勒任务发现1284颗新的行星，这是迄今一次性宣布发现系外行星最多的一次。”

这一发现使得太阳系外已知行星的总数翻了约一番。至此，人类已确认的系外行星超过3200颗，其中仅开普勒太空望远镜就发现了2325颗。

“这次我们可以说，银河系中宜居的星球真的有很多。”NASA戈达德空间研究中心的首席科学家帕蒂·博伊德（Padi Boyd）表示。

NASA首席科学家埃伦·斯托凡（Ellen Stofan）评价说，这项发现给人们带来希望，在宇宙中的某个地方，类似太阳的某颗恒星周围，我们终将能找到另一个地球。

NASA之所以能一次发现如此多系外行星，得益于一个名为“Vespa”的软件系统。这种方法同时应用于多颗候选行星，快速自动地计算其为行星的概率，概率超过99%的被认定为行星。

按莫顿的话说，候选行星就像面包屑。地板上掉的大面包屑还能一颗一颗捡起来。但如果是一大批细面包屑，就得用扫帚扫，而新型统计分析方法就是他们的“扫帚”。

莫顿与同事利用“扫帚”分析了开普勒空间望远镜2015年7月的行星候选目录，在望远镜发现的4302颗太阳系外行星候选者中，有1284个是行星的可能性超过99%，另外1327个候选者是行星的可能性也很高，但未达到99%，尚需进一步研究。

不过，“宜居带”的概念只是根据行星离恒星的距离来推断行星本身的状况，并不能确定这些行星的基本“宜居指标”。例如，这些行星是不是岩石行星、表面温度到底是多少都还是问号。

影响一个行星宜居性的因素包括，其所环绕恒星的类型、年龄、活动性，行星质量、行星公转轨道以及系统中其他行星的轨道，清华大学地球系统科学研究中心田丰教授说。

田丰认为，目前人类仅对地球这一个宜居行星的表面圈层有了解，就连比较了解的火星也不算宜居行星。因此，科学家对其他宜居行星没有认知，判断一个行星是否宜居有很大的不确定性。

“我倾向于称呼它们为‘有宜居可能的行星’（potentially habitable planets）。”田丰说。

后开普勒时代

2009年3月6日，世界首个用于探测太阳系外类地行星的飞行器——开普勒太空望远镜发射升空。在三年半的计划任务期内，开普勒太空望远镜对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统展开观测，以寻找类地行星和生命存在的迹象。

目前，开普勒太空望远镜已经超期服役四年多，但是它找到的候选行星大多数都是体积巨大的气体行星，只有很少一部分体积上与地球相近，而且现在还无法确定这些行星具体的状况。

NASA总部天体物理分部主管保罗·赫茨（Paul Hertz）说：“在开普勒太空望远镜发射升空之前，我们不知道系外行星在银河系中是否常见。多亏开普勒太空望远镜研究团队，现在我们知道的行星数目可能超过了恒星。这些认识告诉我们，想要回答我们在宇宙中是否孤独这个问题，还需未来更进一步的探测任务。”

田丰教授说，判断系外行星是否是岩石结构主要是靠平均密度。目前，科学家可以通过光谱观测确定部分类木系外行星的部分大气成分，这些行星与木星相似，为体积较大的气体行星。而对类地系外行星，即与地球类似的岩石行星来说，大气观测目前很难，未来也许能够实现。

接下来，将有更多望远镜出征太空，寻找可能的生命迹象。

赫茨表示，他们的终极目标是探测这些行星的光谱，分析是否存在水蒸气、氧气、甲烷或二氧化碳，以判断是否存在生物系统。

NASA计划新发射数个太空望远镜，包括比哈勃望远镜镜面大出3倍的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）以及掩星系外行星巡天卫星（TESS），它们分别定于2018年以及2017年发射升空，届时将携手搜寻宜居行星。

欧洲航天局计划2024年发射的Plato2.0空间卫星，则主要针对搜寻K型和太阳类型恒星周围的疑似宜居行星。

根据此前的计划，2020年前，NASA还发射“类地行星发现器”（TPF），包括TPF-C和TPF-I两个类地行星搜索器，通过红外和可见光波长范围内的联合观测，发现类地行星并探测行星大气中的化学成分。

如果TPF可以发现类地行星中的生命迹象，美国航空航天局将在2020年以后申请更强大的望远镜，以确认和拍摄行星上的生命特征。

此外，美国还将和欧洲空间局合作，发射自由飞行干涉仪，采用相距一个足球场距离的两台天体望远镜，将信号进行综合，把明亮的恒星从图像上去除，而围绕恒星旋转的行星所反射的光可以不同的路径通过望远镜的光学系统，在图像上留下痕迹。

2015年NASA的一个研讨会上，有科学家认为，人类将在今后20年到30年内发现外星生命。当然，也有另外一种可能，生命可能并不能仅仅以地球生命为蓝本，也同样可能存在硅基生物或者其他生命形式。

田丰表示，NASA过去曾经针对土卫六的环境下可能出现的膜状结构进行试验，目前学术界也在以试验方法探索生命的其他形式，但不是研究主流。

基于目前对于系外行星的统计数据，宜居行星出现在太阳类型恒星周围的概率约为5%至20%，出现在质量比太阳小一半的红矮星周围的概率约为20%至50%。

如果考虑所有恒星的话，可能有生命的系外行星离地球仅有大概10光年左右。

田丰提醒，系外行星开展生命探测有局限性。对于系外行星，在可预见的将来无法做到就位探测和钻探，也不能采样返回，只能依靠生命对其大气成分、表面反射率等的影响来判断地外生命是否存在。就这一点而言，对系外行星生命的探测是有其局限性的。

而对于太阳系内的行星，人类的探测目前也非常谨慎。火星、木卫二、土卫二和土卫六因为次表面或内部存在生命的可能性较高，被外层空间条约列为第一级行星保护目标。这意味着，任何发射前往这些天体的有着陆可能的探测器都必须经过严格的灭菌程序，以保护这些天体上面可能存在的土著生命不受地球生命的破坏。

由于经费限制，当前国内确定的地外生命探测计划的焦点还是火星，对土卫二、木卫二和土卫六开展生命探测的计划可能要等到几十年以后才会真正实行。

在他看来，预计于2035至2040年左右实施的超大口径空间望远镜，也许能够比较确定地回答地球附近的类地行星上是否存在生命。

无论如何，千万年来困扰着人类的关于地球外生命的问题，将有可能在我们这一时代得到部分答案。

于达维 刘月明