在晴朗的夜晚走到户外，你可以确信一件我们的祖先只能想象的事：你看到的每一颗恒星，很可能至少拥有一颗行星。
围绕其他恒星运行的世界称为“系外行星”，大小各异，从比木星还大的气态巨行星，到与地球或火星大小相仿的小型岩质行星。它们可能热到足以熔沸金属，也可能被深度冰封。它们可能紧贴恒星运行，以至于“一年”只有短短几天；也可能同时绕两颗恒星运行。有些系外行星是没有恒星的流浪者，在银河系中永久行走于黑暗之中。
这个星系——银河系——是在最黑暗、最晴朗的夜晚横贯天空的浓密星流。它螺旋延展的区域可能包含约4000亿颗恒星，太阳也在其中。如果每颗恒星不止拥有一颗行星，而是像我们的太阳系一样拥有整套行星系统，那么银河系中的行星数量将是天文数字：已经达到万亿级。
这颗岩质超级地球是未来望远镜（如TESS和詹姆斯·韦布望远镜）希望在太阳系之外发现的行星类型示意图。图片来源：ESO/M. Kornmesser
数千年来，人类一直在猜想这类可能性，但我们这一代是第一代能够确知系外行星确实存在的世代。而且，它们远在天边。距离我们最近的邻近恒星，比邻星，最近被发现至少拥有一颗行星——很可能是岩质行星。它距离我们4.5光年，超过25万亿英里（40万亿公里）。迄今发现的大多数系外行星都在数百或数千光年之外。
坏消息是：目前我们还没有办法抵达它们，也不会很快在它们上面留下足迹。好消息是：我们可以观测它们，测量它们的温度，分析它们的大气层，也许不久之后还能探测到生命迹象——这些迹象可能藏在从那些昏暗遥远的世界捕获的光点之中。
第一颗走上世界舞台的系外行星是飞马座51 b，这是一颗距离我们50光年的“热木星”，被紧锁在围绕其恒星运行的四日轨道上。具有里程碑意义的一年是1995年。系外行星突然成为现实。
不过，此前已经出现了一些线索。一颗如今称为塔德莫尔的行星于1988年被探测到，但这项发现于1992年撤回。十年后，更多、更好的数据最终证实它确实存在。
此外，从1992年开始，人们还探测到一个由三颗“脉冲星行星”组成的系统。这些行星围绕一颗距离约2300光年的脉冲星运行。脉冲星是已死亡恒星的残骸，密度极高且自转迅速，会以灼热的辐射光束扫过任何绕其运行的行星。
如今，我们生活在一个系外行星遍布的宇宙中。已确认的行星数量为3700颗，而且还在增加。这只是对整个银河系进行的一小部分抽样。随着送入太空的机器人望远镜数量增加、观测能力提升，十年内已确认数量可能升至数万颗。
我们是如何走到今天的？
我们正站在科学史的门槛上。早期探索以及首次确认系外行星的时代，正在让位于下一个阶段：更清晰、更先进的太空和地面望远镜。它们既会广泛观测，也会深入探查。一些望远镜将负责对这些遥远世界进行日益精确的普查，确定它们的多种大小和类型。另一些则会近距离考察单颗行星及其大气层，以及它们孕育某种生命形式的可能性。
直接成像系外行星——也就是拍下真实图像——将发挥越来越重要的作用，尽管我们目前的认识主要来自间接手段。两种主要方法依靠恒星摆动和遮光现象。被称为视向速度法的“摆动”方法，会观测恒星因受到绕行行星的引力牵引而来回移动时出现的特征性抖动。摆动幅度可以揭示行星的“重量”，也就是质量。
这种方法带来了最早一批得到确认的系外行星发现，其中包括天文学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹于1995年发现的飞马座51 b。迄今，地面望远镜利用视向速度法发现了近700颗行星。
不过，绝大多数系外行星是通过寻找阴影发现的：当行星从恒星表面经过时，恒星光线会出现极其微小的变暗。天文学家将这种经过称为“凌星”。
星光变暗的幅度揭示了凌星行星的大小。不出所料，这种寻找行星阴影的方法称为凌星法。
NASA于2009年发射的开普勒太空望远镜通过这种方式发现了近2700颗已确认的系外行星。如今，开普勒正在执行“K2”任务，仍在发现新行星，不过预计其燃料很快就会耗尽。
每种方法都有优缺点。摆动探测可以测出行星的质量，却无法提供行星的大小或直径信息。凌星探测能揭示直径，却无法测出质量。
不过，结合多种方法，我们就能了解整个行星系统的重要参数，而无需直接拍摄行星本身。迄今最好的例子是距离约40光年的TRAPPIST-1系统，其中有七颗大小大致与地球相当的行星，围绕一颗小型红色恒星运行。
TRAPPIST-1行星已由地面和太空望远镜进行观测。太空观测不仅揭示了它们的直径，还发现这七颗紧密排列的行星彼此之间存在微妙的引力影响；科学家据此测出了每颗行星的质量。
现在，我们知道了它们的质量和直径。我们也知道它们的恒星辐射出的能量有多少到达这些行星表面，因此科学家能够估算它们的温度。我们甚至可以合理估计光照强度，并猜测如果你站在其中一颗行星上，天空会是什么颜色。尽管关于这七个世界仍有许多未知之处，包括它们是否拥有大气层或海洋、冰原或冰川，但它们已成为除我们太阳系之外最为人熟知的行星系统。
我们将走向何方？
新一代太空望远镜即将登场。首先是TESS的发射，即凌星系外行星巡天卫星。这台非凡的设备将对几乎整个天空进行巡测，搜寻较近、较亮恒星周围的凌星行星。曾经的凌星观测主力开普勒，将把发现行星的接力棒交给TESS。
反过来，TESS将找出最值得进一步观测的候选目标，供詹姆斯·韦布太空望远镜深入研究。韦布望远镜目前计划于2020年发射，它将展开一面巨大的分段式集光镜，镜面安装在瓦片状平台上，旨在直接捕获行星本身发出的光。随后，这些光可以被分解成多色光谱，类似条形码，显示行星大气中含有哪些气体。韦布的目标可能包括“超级地球”，即比地球大、比海王星小的行星，其中一些可能是岩质行星，类似放大版的地球。
人们对这些大型行星知之甚少，包括其中一些是否可能适宜生命生存。如果我们非常幸运，也许会在其中一颗行星的大气层中发现氧气、二氧化碳和甲烷的迹象。这样的气体组合会让我们强烈联想到地球大气层，或许表明那里存在生命。
不过，要在与地球大小相当的系外行星上搜寻类似地球的大气层，可能还得等到2020年代或2030年代更强大的新一代太空探测器问世。
得益于开普勒望远镜的统计巡测，我们知道头顶的恒星拥有丰富的行星伴星。当我们仰望夜空时，可以确信的不仅是系外行星邻居数量庞大，还有另一件事：这场冒险才刚刚开始。
