“开普勒”:寻找另一个地球
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2009年3月6日，美国首颗用于搜寻类地行星的空间望远镜开普勒号在卡纳维拉尔角发射升空。至此，在地球之外寻找外星生命的天文学家将有新工具来实现他们的目标。耗资将近6亿美元的开普勒望远镜将在四年左右的时间内，在银河系的天鹅座与天琴座区域观测类似于太阳的大约10万颗恒星系统，以寻找类地行星和生命存在的迹象。
从1995年起到2009年2月，人类总共发现了342颗太阳系外行星或行星系统。尽管目前还没有在太阳系以外发现另一个地球，但是却发现了一些质量只比地球大几倍的太阳系外行星。科学家将它们称为“超级地球”。但是即便如此，天文学家也认为这些超级地球未必就比地球更适合生命的存在，除非它们到所围绕的恒星的距离恰到好处。
质量越大的行星就越容易被发现。这些行星本身的运动会造成其宿主恒星围绕它们公共质心转动，而这一运动的速度越大在恒星光谱中造成的谱线移动也就越厉害。通过观测恒星视向速度中的这一多普勒效应，就能反推出行星的存在。
当行星运动到恒星和我们视线之间的时候(凌星)，个头越大的恒星造成的恒星亮度降低也就越严重。当一颗木星大小的行星从一颗类太阳恒星前方经过的时候，大约会遮挡恒星表面的1／100。这会造成恒星的亮度在几个小时内下降1／100，由此天文学家们可以在地面上观测到这一变化。
随着多普勒效应测量精度越来越高，天文学家现在已经可以测量出3，6千米／秒的速度所引起的频移。这足以来探测质量仅有地球几倍的行星。而它们凌星时所造成的恒星亮度降低很难从地面上观测到，除非宿主恒星本身就很小。
从“科罗”到“开普勒”
尽管使用视向速度测量方法发现的太阳系外行星数量是用其他方法总和的4倍，但是这一方法只能提供行星质量的最小值，还无法告诉我们行星的直径和组成。而这恰恰是了解行星特性的关键，由此凌星探测方法的重要性就彰显出来了。
受制于地球的大气，地面上的凌星观测精度始终有限，而且观测也受到时间的影响。因此最佳的行星凌星观测无疑必须进入太空。
2006年12月，欧洲空间局“科罗”外星行星探测器发射升空，它可以探测到比地面观测极限还要小得多的太阳系外行星凌星事件。“科罗”可以在5个月的时间里不间断地同时监测12，000颗恒星的亮度变化。目前“科罗”已经可能探测到了一颗直径为地球1.7倍(质量大约为地球的6倍)的类地行星，还有其他的一些巨行星。
太阳系外行星凌星发生的概率取决于恒星直径和行星轨道半径之比。因此，行星越靠近恒星越好。对于距离一颗类太阳恒星一个天文单位的行星来说，其发生可见凌星的概率只有1／210。即便是类地行星发生凌星，它每年只能使得恒星的亮度下降一次，且下降的幅度只有1／10,000，持续的时间也只有几个小时。
为了确认这些凌星事件，就必须看到它们以一定的时间间隔周期性地发生。因此“科罗”为期5个月的不间断观测时间使得它只能用来探测比水星到太阳距离还要近的行星。但是那些位于宜居带中的太阳系外行星通常到宿主恒星的距离要远得多。因此发现这些真正让人感兴趣的行星就需要连续不断地监测恒星亮度达数年之久。
“开普勒”空间望远镜就是为此应运而生的。“开普勒”将花3年半的时间来不间断地观测位于天鹅座和天琴座中的100，000颗恒星。它会在远离地球的轨道上围绕太阳转动，以避免地球对它观测的干扰。而与之形成对比的是，“科罗”是一颗围绕地球转动的卫星。由于会受到地球的阻挡以及阳光的干扰，最长连续观测时间只有5个月。“开普勒”直径1.4米的主镜所能收集到的光线是“科罗”的2.5倍，对于亮度为12等的恒星其测量的精度可以达到1／50，000(0.00002等)。这使得它可以看到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。
“开普勒”的视野
“开普勒”上的光度计可以覆盖105平方度的天空，这相当于伸出手臂两个手掌所能覆盖的天区。在这么大的范围里从M型矮星到A型和B型这样的高温大质量恒星应有尽有。天文学家已经花了数年的时间来观测和分类“开普勒”视场中的300万颗恒星，以便挑选出最佳的观测对象。
如果能获得3年半的观测资料，科学家们预期会找到50个～640个周期为1年的候选太阳系外行星。而12％的恒星至少会拥有两颗行星。同时“开普勒”还可能会发现数百次的短周期凌星事件，以及几十个距离宿主恒星1个天文单位的巨行星。上述的这些预计都是在假设了所有目标恒星都拥有地球大小的行星所做出的。事实可能并非如此。但是即便“开普勒”什么也没有探测到(尽管可能性不大)，这一结果也具有重要的科学和哲学意义。根据“开普勒”观测到的太阳系外行星的数量，天文学家们可以可靠地外推出银河系乃至宇宙定类型的恒星所具有的行星数量。
“开普勒”可能会成为美国航宇局未来“类地行星搜索者”探测器的开路先锋，计划于2013年发射的詹姆斯・韦伯空间望远镜将会在红外波段研究行星的形成，并且可能会直接探测到年轻的太阳系外类木行星所发出的热辐射。除此之外，“开普勒”还会为地面上的视向速度观测提供大量的候选目标。
相关链接：第一批超级地球
使用多普勒技术，科学家们已经发现了几个超级地球。2005年发现了第一个超级地球，它的质量为地球的7.5倍，围绕一颗红矮星Gliese 876转动。早期的观测显示有两颗气态巨行星围绕着这颗恒星，但在考虑了和这两颗巨行星之间的共振相互作用之后，在这个系统中又发现了一颗质量小得多的行星。
这颗超级地球围绕Gliese 876公转一周只需要2天。如此短的公转周期说明它非常靠近宿主恒星，同时它可能也已经被“潮汐锁定”。于是它就会像月亮一样，始终只有一侧是冲着恒星的。它始终对着恒星的那一面温度可以达到400℃，而另一面的温度则取决于它大气的热平衡效率。
2007年，科学家们在Gliese 581周围一下子又发现了两颗超级地球。而Gliese 581除了这两颗超级地球之外，还有一颗海王星大小的行星。这两颗超级地球中有一颗的最小质量大约是地球的5倍，而它到宿主恒星的距离比水星到太阳的距离还要小。因此它每13天就能绕它的恒星转动一周。
另一颗行星的质量则至少为地球的8倍，到宿主恒星的距离大约为日地距离的3／4，公转周期为83天。靠里的那颗行星会由于温度太高而无法有液态水的存在，而靠外的那颗行星的温度又显得有一点过低，当然这很大程度上还依赖于其大气的性质。
究竟有多少外星地球?
天文学家预计，太阳系外类地行星的数量实际上要比气态巨
行星更多，原因是形成类地行星所需的物质要少得多。
综合目前的视向速度巡天和其他的观测资料，大约10％的近距离恒星在5个天文单位的距离以内会有一颗质量至少为木星质量的行星。这里1个天文单位相当于地球到太阳的平均距离。而大约15％的恒星在10个天文单位以内的范围内至少会有一颗类似木星或者土星的行星。
但也有科学家发现，猎户星云中只有不到10％的新生恒星在其周围的行星盘中具有可以形成木星质量行星的足够物质。这些行星盘的平均质量大约为太阳质量的1／1000，可以形成两倍于海王星质量(34个地球质量)的行星。尽管目前的天文观测对于仅能形成低质量行星的行星盘还不是很敏感，但是对年轻恒星的观测显示，大约80％的年轻恒星具有可以形成类地行星的行星盘。因此很有可能80％的恒星会臭有岩质的行星。
现在天文学家们正在不断加大在低质量恒星周围搜寻超级地球的力度，而暗弱的M型红矮星则是他们的重中之重。M型矮星所发出的光和热通常还不到太阳的1％，因此它们的宜居带――位于其中的行星表面可以有液态水的存在――会非常靠近恒星，距离一般在0.1个天文单位之内。由于宿主恒星的质量较低，因此行星造成的多普勒效应会较强。但是由于恒星自身亮度比较低，因此必须要长时间的观测才能从背景噪音中分离出行星的信号。
尽管发现了不少超级地球，但是人们更关心的问题是究竟有多少个太阳系外的类地行星?这个问题还需要更多的观测才能回答。
2008年6月，科学家们又发现了4颗质量在3个～9个地球质量之间的超级地球，但是它们的轨道周期都在几天到20天的范围之内。其中的3颗围绕着恒星HD40307转动，这颗恒星的质量比太阳稍小一点。另一颗超级地球则和一颗木星大小的行星一起围绕着恒星HD181433公转。
与上面提到的这些非常靠近恒星的超级地球不同，目前已知距离恒星最远、温度最低的超级地球是通过微引力透镜发现的。引力透镜效应是爱因斯坦的广义相对论预言的一种引力效应，一个位于前方的天体可以借助引力来“放大”后面的天体。如果恒星拥有一颗围绕它转动的行星的话，行星的引力就会扭曲恒星所发出的光，因此揭示出它的存在。但引力透镜效应的发生需要恒星、行星和观测者之间具有特殊而又精确的排列构型，同时这一效应持续的时间又非常短暂，所以天文学家需要监测数百万颗恒星才能捕捉到几次微引力透镜事件。
2006年天文学家宣布，在一颗距离太阳20,000光年远的矮星周围发现了一颗质量为地球5.5倍的行星。这颗行星到宿主恒星的距离是日地距离的2.5倍。而在这样的距离上发现超级地球并不是多普勒效应和凌星探测的强项，故而这一领域成了微引力透镜的天下。由于距离恒星很远，因此这颗被称为OGLE 2005-BLG-390Lb的行星几乎是被完全封冻的。由于它的宿主恒星本身也很暗弱，因此这颗行星表面的温度和太阳系中冥王星的表面温度相仿。