寻找外星生命甚至外星人，是许多天文学家孜孜以求的目标。人类已经在银河系内发现了几千颗系外行星，但怎么才能确定上面有没有生命呢？
在当前的技术框架下，要想确认出系外行星上的生命，首先要先研究对应的系外行星的温度、大气化学成分、地形等特征，这就需要用到直接成像与光谱分析的方法。最近，加州理工学院的一个小组改进了这个方法，有望使其灵敏度提高上百倍甚至上千倍。这个方法与大型望远镜结合，有望揭示系外行星大气的化学成分并推断其是否存在生命。
使用冕仪屏蔽母恒星的光之后，用直接成像法拍下的行星Fomalhaut b的运行轨迹的伪色成像图。（来源: NASA, ESA and P. Kalas from UC Berkeley and SETI Institute）
撰文 王善钦（加州大学伯克利分校天文系）
编辑 丁家琦
近二十多年来，人类已经发现了几千颗太阳系外的行星（简称“系外行星”）。这些已被发现的系外行星大多数是巨型气体行星——“热木星”，但也有少数质量比地球大，但小于“热木星”的大质量固态行星——“超级地球”，另有极少数质量略大于地球的岩石行星——“类地行星”。
上面的各种系外行星中，最可能存在生命的是类地行星，但前提是，这些类地行星必须在所谓的“宜居带”内，温度适宜，具有水和大气。
如果希望上面有高级生物例如人类，那么还要求母恒星的寿命要足够长，否则生命还没有演化到高级状态，恒星就死亡了，生命也就失去了根本的能量来源，根据这个标准，类似于太阳的G型矮星（黄矮星）以及比太阳暗的K型矮星（红矮星）是最适宜的。最近，NASA 发现了一个带有七个类地行星的恒星系统，TRAPPIST-1，就是一颗超冷的红矮星，绕着它旋转的行星中有三颗处于这个系统的宜居带中。这个发现轰动了世界。
太阳与红矮星TRAPPIST-1的比较（图片来源：http://www.eso.org/public/images/eso1615e/）
但是，要想确认这些处于宜居带内的类地行星是否有生命存在，却不能仅仅根据其是否处于宜居带中，而是要直接探测到系外行星并用光谱仪分析其光谱，确定出这些行星的大气的化学成分中是否含有氧气、甲烷、臭氧等分子气体。这就是“直接成像+光谱分析”法。这是未来几十年内确定系外行星是否存在生命的最靠“谱”的方法，如果要想有更靠谱的方法，那就只能是：人们直接捉到外星人或者被外星人捉了。
最近，加州理工学院天文系副教授、NASA的喷气推动实验室（JPL，由加州理工学院托管）科学家Dimitri Mawet领导的系外行星技术实验室（Exoplanet Technology Laboratory）研究小组在实验室中改进了“直接成像+光谱分析”法。他们正在争取与大望远镜对接，投入实测。
描述这个成果的两篇论文已发表于《天文学杂志》（The Astronomical Journal，简称AJ）与《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal，简称ApJ）上。我们来看看这个新成果的源流与新意。
冕仪：遮挡星光，直接成像
大部分系外行星是通过径向速度法（根据光谱频移来计算）、凌星法、微引力透镜法等方法确定出来的。但这些方法无法获得与系外行星大气有关的信息。为获得大气的信息，要先确保能够直接拍摄到系外行星的图像，这就要用“直接成像法”了。
如果恒星很暗（如褐矮星）、而行星却很亮（如热木星），且二者相距较远，那么我们就可以直接拍摄到行星的图像。比如，2004年Gael Chauvin领导的小组用欧洲南天天文台（ESO，也译作欧洲南方天文台）的甚大望远镜（VLT），直接拍摄到围绕着一颗褐矮星2M1207公转的热木星。这也是人类历史上第一个用直接成像法拍摄到的系外行星。
褐矮星2M1207以及围绕其公转的热木星（图片来源：NaCo，VLT，ESO）
如果恒星非常亮，或者行星与恒星靠得非常近，想不利用其他设备的帮助而直接拍摄出行星的图像，是极其困难的，因为此时的行星的光芒就如萤火虫，而恒星的光芒如同萤火虫旁边的大火。这时候就要想办法将恒星发出的光整个屏蔽掉，然后再拍行星反射出的光。
屏蔽恒星光的仪器就是冕仪（coronagraph）。冕（与“免”同音），英文对应单词为“corona”；中文中，冕是“皇帝（与士大夫）的帽子”的意思，比如“加冕”就是给皇帝戴上皇冠、“无冕之王”就是没有皇冠的皇帝。太阳的外层有一层帽子一样的成分，温度很高但却很暗，被称为“日冕”（太阳的帽子）。日全食发生时，太阳整个被月球挡住，人们就可以很容易地观测到日冕。其他情况下，有专门的“日冕仪”用以观测日冕。日冕仪是法国天文学家Bernard Lyot于1939年发明出来的。
左图：太阳周围的日冕（来源：ESO）；右图：用来观测日冕的日冕仪（图片来源：http://solarwww.mtk.nao.ac.jp/en/norikura/nkr10cmnew.html）
想用类似的方法屏蔽掉系外行星的母恒星的光，就要用对应的冕仪[JD6] 。天文学家将冕仪安装在望远镜镜头前端，就可以屏蔽掉恒星光芒、直接拍摄系外行星的图像了。一些系外行星就是用这种方法观测到的。由于那些恒星视角比太阳小得多，用来遮蔽它们的冕仪必须克服地球大气流动导致的“晃动”，这就需要与自适应光学系统相结合，去掉“晃动”。
受种种条件限制，直接成像法观测到的系外行星数目极少，比较著名的有HR 8799周围的三颗行星，它们与中心恒星的距离分别为24、38、68天文单位（地球与太阳的平均距离为1天文单位），一开始认为它们的质量是木星的5倍到13倍，后来的观测修正为5~7倍。在这个成果公布两年后，天文学家又于更内侧的地方（15个天文单位）发现了这个系统中的第四颗行星。下图为这个系统中的三个行星（b、c、d）的图像。
用直接成像法于不同时期（2004、2007、2008）用不同望远镜（凯克望远镜、双子望远镜，凯克望远镜）拍摄到的HR 8799周围的三颗行星，图中b、c、d为行星（图片来源：C. Marois 等人，Science 322:1348-1352,2008）
光谱仪：分析系外行星大气的成分
遮挡母恒星发出的光，是探测系外行星大气的第一步。用冕仪屏蔽掉母恒星发出的光、获得行星反射出来的光之后，就进入第二步：让通过冕仪过滤后的光（此时的光基本为行星发射出来的光）通过光纤。接着进入第三步：通过光纤的光进入光谱仪。
这些来自行星的光虽然本质上源于它们的母恒星，但经过行星大气的反射，就携带了行星大气化学成分的信息，甚至带有陆地、海洋有关的信息。光谱仪将这些光分解成光谱，根据光谱的特征，可以判断出判断出系外行星大气的成分。如果在大气中发现了氧气、甲烷等气体，就说明这个行星有可能孕育出生命。
这个技术在此前就已经被使用。但是，此前的技术中，与冕仪配对使用的光谱仪都是低分辨率光谱仪。而在 Dimitri Mawet等人测试的这个新方案中，冕仪是与高分辨率光谱仪搭配。高分辨率光谱仪可以探测到那些亮度只有母恒星亮度万分之一的行星。但要注意，过去十多年，已有多个小组用高分辨率光谱仪来研究那些通过径向速度法、凌星法发现的系外行星的大气，只是未被研究者拿来与冕仪配对。
他们将其设备称为“高色散冕仪”（High Dispersion Coronagraphy，HDC）。此外，令这个小组惊喜的是，实验室中的测试表明，光纤也可以进一步屏蔽掉剩余的恒星光中的一部分，使得进入光谱仪中的光更加纯净。
高分辨率光谱仪接收到经过两重屏蔽的光之后，就可以对“幸存”下来的行星的光进行分析。用高分辨率光谱仪替代低分辨率光谱仪，可以使灵敏度提高100到1000倍，而且可以获得丰富得多的、与行星大气化学成分有关的数据，甚至可以测出系外行星的自转速度、探测其上的大洲。
用什么望远镜来看？
Dimitri Mawet、Ji Wang等人测试出的这个新技术在实验室获得了令人满意的结果，现在正在他们正在用这个系统与位于夏威夷的凯克（Keck）望远镜对接，进行实际上的观测。凯克望远镜有两台（I与II），位于夏威夷莫纳克亚天文台的凯克天文台，口径10米，是当今世界上最大的几个光学望远镜之一（很多人会说贵州新建的500米口径FAST望远镜大得多，但要注意，500米那个是射电望远镜，凯克是光学望远镜，不是同一类型，目前世界上已建成的最大的光学望远镜是位于西班牙的加那利大型望远镜，口径10.4米）。
两个凯克（Keck）望远镜（Keck I与Keck II）（图片来源：Keck 天文台）
凯克望远镜由加州理工学院和加州大学系统负责管理，来自这两个单位的天文学家也是这对望远镜的主要使用者。因此，加州理工学院的这个小组可以申请将这个新的系统与凯克望远镜结合使用。不是这两个单位的人员，想都不用想。如果这个系统与凯克望远镜结合，就可以研究那些巨型气体行星的大气光谱特征，进而推断其化学成分。但它还不能够用来研究类地行星，因为凯克望远镜还不够大、不够灵敏。
将来十几年内，三十米级别的光学望远镜，如夏威夷的三十米望远镜（Thirty Meter Telescope，TMT）制造成功之后，这个系统与之结合，就可以研究类似于地球的系外行星的大气光谱了。TMT的主导单位依然是加州理工学院和加州大学系统，但也有其他国家的天文学机构如加拿大大学天文研究协会、日本国立天文台、印度科技部、中国科学院国家天文台以及多个公营、私营机构出资参与。
三十米望远镜（TMT）的构想图（图片来源：http://www.tmt.org/gallery/photo-illustrations）
这个小组还希望这个系统可以与NASA将来的空间望远镜系统—— “宜居系外行星成像任务（Habitable Exoplanet Imaging Mission，HabEx) ”与“大型紫外/光学/红外巡天器（Large UV/Optical/IR Surveyor，LUVOIR）”——合作。前者主要针对那些围绕着类似太阳的恒星的类地行星，由位于加州理工学院的喷气推动实验室（JPL）负责，后者研究系外行星以及其他多种天体物理学现象，由戈达德飞行中心（GSFC）负责。
因此，未来十几年，天文学家就有希望得到一些热木星甚至类地系外行星的大气成分信息，甚至确定上面的陆地与海洋的分布。根据这些信息，就可以判断出所研究的系外行星上面是否有生命存在，是否有适合外星人存在的大陆。
附录
1、Ji Wang 等人发表在AJ上的论文网址：http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/aa6474/meta（预印本：https://arxiv.org/pdf/1703.00582v2.pdf）（注：此预印本的PDF文件的摘要上方错误地注明此文将被出现于ApJ，实际上它发表于AJ）
2、Dimitri Mawet 等人发表在ApJ上的论文网址：http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aa647f/meta（预印本：https://arxiv.org/pdf/1703.00583.pdf）
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