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1999年9月9日，25岁的哈佛研究生大卫·沙博诺在科罗拉多州一个停车场内的胶合板棚屋里，用一台四英寸望远镜做出了20世纪末最重大的天文学发现之一。沙博诺和他的导师蒂姆·布朗（后者建造了这台望远镜）一直在测量一颗名为HD 209458的类太阳恒星的光。他们希望利用一种称为测光法的技术——测量恒星的光——来确认关于HD 209458拥有一颗轨道行星的推测。当时，NASA正在决定是否资助开普勒任务，这是一台将使用相同技术的太空望远镜。开普勒任务起初希望渺茫，因为测光法此前从未探测到太阳系外恒星周围的行星。布朗和沙博诺即将把这一渺茫希望变成确定的事实。

1999年，已确认的系外行星（即太阳系外的行星）寥寥无几，它们都是木星级别的气态巨行星，而非像地球这样较小的岩石行星。它们是通过一种称为多普勒光谱法的技术确认的，该技术通过记录恒星因轨道行星的牵引而前后摆动时颜色光谱随时间的变化来探测行星。多普勒法擅长发现靠近恒星的木星大小行星，但对于距离恒星较远的小型行星，它并不总能提供清晰的数据。使用多普勒光谱法的天文学家注意到，在距离地球约150光年的HD 209458周围发生了不寻常的现象，但颜色光谱中的“晃动”也可能有其他原因，比如恒星自身的收缩和膨胀。

理论上，沙博诺和布朗使用的测光法能够更明确地显示是否有一颗行星在绕遥远的恒星运行。许多测光望远镜无法检测小于几个百分点的亮度变化。但布朗设计的望远镜能够持续监测恒星亮度低至1%的变化——这正好是木星大小的行星从其恒星前方经过时引起的亮度下降幅度。

当沙博诺和布朗将观测目标锁定在HD 209458时，计算机软件绘制出了这颗恒星的亮度曲线。沙博诺看到了预测中的1%亮度下降——这是首个清晰的光度学证据，显示一颗行星正掩食（即凌越）其恒星。起初，他感到焦虑。“这是一种前所未见的现象，”他最近说道，“你心里直犯嘀咕：‘我是不是眼花了？我是不是在自欺欺人？是望远镜出了问题，还是数据有问题？’”结果并没有问题。两个月后，另一个团队也收集到了HD 209458的类似光度数据。

一些人认为，沙博诺的发现是让NASA拍板开普勒任务的那一瞬间——这是一项历时多年的项目，迄今已确认了2700多颗围绕其他恒星运行的行星的存在。（数据仍在分析中。）该任务的首席研究员威廉·博鲁基多年来一直推动使用光度测量技术。他相信，测量行星凌越其恒星的过程，是识别太阳系外较小、岩石质、可能适宜居住的世界的最佳途径——这也是开普勒任务的主要目标之一。“我确信我能将凌星技术发展到足以在像太阳这样的恒星的宜居带里找到地球大小的行星，”他最近在NASA的一次访谈中回忆道。到1999年，博鲁基的团队已在实验室中证明，开普勒仪器的精度足以探测到地球大小的行星。

NASA在2001年拍板批准了这项任务，开普勒太空望远镜于2009年3月6日晚上11点前（当地时间）从佛罗里达州卡纳维拉尔角搭乘德尔塔2号火箭发射升空。这台0.95米口径的望远镜装有一排光电测光单元，能够探测到低至0.002%的亮度变化。它盯准了天鹅座-天琴座方向的一片天空，在四年间持续收集约20万颗恒星的光线。该航天器设计为在地球绕太阳公转时尾随其后，从而获得连续、无遮挡的天空视野。这项任务很快就迎来了发现的高潮。2010年，开普勒团队宣布，该任务头六周就确认了五颗新系外行星。2011年12月，科学家宣布发现了首颗位于其恒星宜居带内的行星——温度不冷不热，正好适合生命存活。2013年，NASA工程师设法延长了设备的原定寿命，项目第二阶段叫K2，把观测的恒星总数拉到了50万颗。2014年4月，科学家宣布发现了首颗地球大小的行星——这种岩石世界或许能够支持类似地球的生命。

这艘航天器在2018年终于没油了，但开普勒还是逮着机会发现了不少奇景：一颗行星绕着两颗恒星转，就像《星球大战》里的塔图因星球；拥有三颗、四颗或五颗行星的行星系统；一颗巨大气态行星，密度跟棉花糖似的。这些发现把系外行星研究这块儿一下子拓宽了不少，NASA的TESS航天器接着干了这活儿，而南希·格雷斯·罗曼望远镜明年进轨道后也会接手。这台新望远镜能探测到比地球还小的行星的引力场，还能头一回直接拍到太阳系外木星大小的行星，给开普勒的发现添砖加瓦。

从某些衡量标准来看，开普勒任务并不起眼。自1958年以来，美国国家航空航天局已向太阳系中的每颗行星发射了航天器，并测量了大爆炸留下的微弱余响。1977年发射的双旅行者号航天器至今仍通过无线电从数十亿英里外与其操作员通话。然而，开普勒任务改变了天文学家理解整个银河系的方式。它表明，绕其他恒星运转的行星并不稀奇，反而很常见，并且其中一些可能具备支持生命的合适条件。开普勒之前，我们抬头看天，只见到星星；开普勒之后，我们看到的是一整个星系系统。

太空探索的过去、现在与未来

水手2号与水手4号：第一艘正常运行并抵达另一颗行星的航天器是水手2号，其宽度大约相当于五台冰箱并排的宽度，1962年发射，任务是飞往金星，结果发现金星有厚厚的二氧化碳大气层，以及热得吓人的表面，温度超过800度。1965年，水手4号使用带有磁带记录器的电视摄像机传回了火星的首批近距离图像。

先驱者系列与旅行者号：先驱者10号于1972年发射，穿过小行星带，去测量木星的辐射和磁场。1973年，先驱者11号飞向土星，在那里发现了一个新的行星环和两颗卫星。旅行者1号后来发现木卫一上有火山活动，而旅行者2号则在天王星和海王星周围发现了环和数颗卫星。

伽利略号、卡西尼号与朱诺号：伽利略号从1995年到2003年采集木星及其卫星的数据，发现木卫二地下有海洋，水量比地球所有海洋加起来还多。2004年，卡西尼号开始环绕土星运行，并在其卫星土卫六上释放了惠更斯号探测器，那里有类似汽油的液体像下雨一样落下来。2016年，朱诺号发现木星的彩色条纹延伸到了1900英里深。

火星探测车：1997年，作为“火星探路者”任务的一部分，“旅居者号”成为火星上首辆轮式探测车，它使用α质子X射线光谱仪分析岩石和土壤。2004年，更大的“勇气号”和“机遇号”抵达，证实火星上曾经有水。轿车大小的“好奇号”于2012年着陆，随后2021年“毅力号”抵达，还带上了“机智号”直升机。这些探测车累计行驶超过80英里，分析了古代湖泊和河流留下的痕迹。

欧罗巴快船和蜻蜓号：“欧罗巴快船”将于2030年抵达木星冰封的卫星，利用冰层穿透雷达、紫外光谱仪和高分辨率相机等工具，寻找可能孕育生命的环境。“蜻蜓号”计划于2028年发射，将发射一架大型旋翼机前往土星的卫星泰坦。该飞行器配备光谱仪、样本钻机和相机套件，将在浓厚大气中飞行，并降落在冰冻沙丘和其他月球地形上。