在过去的十年里，天文学家对太阳系外行星的搜寻工作有很多值得庆祝的地方。在这段时间里，被发现的地外行星数目从50颗飙升到500多颗。尽管这些行星目前没有一颗同地球相似，但是美国宇航局（NASA）2009年发射的开普勒空间望远镜现仍然在数百颗候选者中进行筛选――它们中的一些很可能与地球环境类似。

 

　　太阳系外行星搜索本身已经非常成功，但是数十亿美元的投入怎么说也是一笔巨额的花销。由于经济低迷以及搜寻任务的巨额开支，一些雄心勃勃的航天器计划诸如空间干涉测量任务（SIM）或类地行星发现者（TPF）被取消或者被推迟，就连詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）项目都遇到了严重的资金困难。

 

　　然而在2008年，由NASA和美国国家科学基金会（NSF）组成的太阳系外行星专责小组发表的一份报告称，实施太阳系外行星研究的新战略，无需发射一艘昂贵的行星搜寻探测器，只需使用廉价的地面巡天来发现那些在恒星附近公转的行星世界。这些恒星距离我们并不很遥远，相对较亮，也更容易研究。这些低成本的巡天至少能完成诸如JWST的部分工作，包括搜索太阳系外行星的大气成分：诸如二氧化碳、水蒸气、甲烷、氧气和其他微量气体，甚至生命存在的迹象。2010年来自欧洲空间局（ESA）的一份报告几乎得出相同的结论。

 

　　“太阳系外行星就在那里，但需要用相对低廉的成本去搜寻它们，”加州大学天体物理学家格雷格·劳克林（Greg Laughlin）说，“因为这里有一个经济壁垒横亘在我们的面前。”为此，天文学家提出了许多低成本太阳系外行星搜寻计划的想法，以下的五个是比较突出的。

 

　　这份提案的核心是针对靠近太阳系的较冷、红色的M型矮星――M型矮星是银河系中数量最多的恒星。它们的质量不仅比太阳质量的一半还要小很多，就连其体积、亮度也比太阳小很多。因此，任何主恒星是M型矮星的行星在经过M型矮星前方时即发生凌星现象，此时，M型矮星的亮度会变暗也更容易观测――通过光谱分析来过滤行星大气，行星轮廓的相对大小易于望远镜观测。

 

　　通过凌星现象寻找主恒星是M型矮星的潜在可居住行星的M地球计划，是首次也是目前为止最为成功的搜寻项目。与以往针对较亮恒星的凌星巡天不同，M地球计划是通过惠普尔天文台的8架直径为0.4米的机器人望远镜，目标是观测较近的2000颗M型矮星；只要其中的某一颗发生了凌星，望远镜便能观测到。M地球计划在2009年公布了观测到的第一颗凌星行星：GJ1214b，其主恒星M型矮星距离地球13个秒差距，由于其太大、太热以至于不适于生命的存在。M地球计划将运行3年，在运行的头半年里就发现了GJ1214b――该行星至今仍然是已知的最容易研究的太阳系外类地行星。去年，欧洲南方天文台对GJ1214b进行的光谱研究表明，该行星高层大气含有水蒸汽。

 

　　“M地球计划表明，对于100万或200万美元的相对温和投资，即可通过地面巡天找到可居住带的超级地球，”该项目负责人、哈佛大学天文学家大卫·夏博诺（David Charbonneau）说。超级地球指的是比地球更大、围绕其主恒星公转且有液态水存在的岩石行星。

 

　　2011年10月，夏博诺和他的同事希望在智利进一步实施M地球计划，因为在智利观测的天区与惠普尔天文台上观测的天区不同。几个其他的M型矮星凌星搜寻也正在进行中，例如直径为0.6米的特拉普望远镜以及直径为1.22米的塞缪尔·奥斯钦望远镜。

 

　　虽然凌星观测能够很好地测量太阳系外行星的半径以及轨道周期，但其他一些技术，比如光谱学可以了解太阳系外行星的更多信息。

 

　　尤其重要的是迄今最为常用的行星搜寻方法：视向速度技术。一颗行星在不断绕转其主恒星时，会使恒星发射的光波产生周期性的变化，对这些变化的测量不但能够给出该行星存在的独立证据，而且也为它的质量估算提供了基础。

 

　　该方法提供了探测M型矮星的另一个好理由。地球绕太阳运动一年之中，引起太阳视向速度每秒10厘米的轻微变化。这种轻微变化就连外星天文学家都很难探测到。但是，如果一个地球大小的行星位于一颗M型矮星的可居住带，那么它将距离M型矮星更近，其视向速度会达到每秒1米的量级，这就易于观测了。遗憾的是，M型矮星主要是红外或近红外发光，因此观测M型矮星的电磁波谱也应该是红外或近红外。但是，天文学家还没有建立起这种精确测量所需的红外线光谱仪。所以，仅有接近太阳系的M型矮星中的一半能被观测到。

 

　　更糟的是，行星搜寻的近红外光谱仪的造价要比光学波段的昂贵许多。这是因为其基本物理的特点：红外光子没有足够的能量使得现成的硅探测器激发出电子。因此，该仪器的主要花销是特定材料如铟镓砷化合物或水银镉碲的探测器制造上。此外，为了防止背景红外辐射的干扰，还必须进行低温冷却或绝热处理。最先进的近红外光谱仪是耗资1000万欧元的欧洲南方天文台的超低温红外光栅光谱仪（CRIRES）。

 

　　然而，几个主要的光谱仪在未来的几年里可能会面临资金不足的窘境。如果想要得到足够的资金，这些光谱仪的花费需要降低，其中包括德国和西班牙以研究主恒星为M型矮星的外星地球计划（CARMENES）的高分辨率近红外光栅光谱仪；加拿大、法国以及美国的一个近红外分光偏振仪望远镜计划（SPIRou）；美国的利用埃伯利望远镜进行的可居住带行星搜寻计划。

 

　　主星为M型矮星的行星搜寻项目的另一个障碍就更加微妙了：需要找到更好的方法来校准光谱仪。仪器本身的不稳定性所造成的影响很容易被误认为是由可居住行星绕其主恒星公转所引起的光谱线的微小变化。显而易见的解决方案是确定一些可以比较的参考光谱。但是，通常用来校准光学视向速度巡天的参考谱线――主要是碘或钍同氩的混合物――不能用于红外线的校准。

 

　　用于校准的其他一些元素及混合物参考谱线的研究正在进行中。然而，超高精准的激光频率梳技术在行星搜寻计划中更加能够大展拳脚。该装置的核心是激光发射能穿过很宽波长范围的快速脉冲。脉冲序列频率的绘制给出了像一把梳子齿似的一系列鲜明的波峰。当这些脉冲反馈到光谱仪以及与原子钟同步时，它将成为光谱测量的一个强有力的校准源。

 

　　一些天文台正在测试激光梳在光谱仪中的应用。例如，2009年末和2010年初哈佛-史密松天体物理学中心研制的激光梳连接了惠普尔天文台的光学谱仪并用于校准已知恒星HD189733的光谱测量――HD189733是双星系统中的一颗；2010年年中，美国国家标准与技术研究所研制的激光梳被用于测量仙女座υ的近红外光谱仪视向速度中；2010年12月，由马普量子光学研究所研制的激光梳也作了相关的视向速度测量，目前这些测量结果还没有公布。如果一切顺利的话，这些结果将有助于未来十年下一代光谱仪的使用。

 

　　即使通过激光梳来校准，行星搜寻计划对于那些表面运动可以伪装成视向速度信号的恒星而言仍然不可行。“一颗恒星表面覆盖了数百万简谐振荡模式，就如同一个钟摆来回振荡，”加州大学天文学家史蒂芬·沃格特（Steven Vogt）说，“其中一些模式在经过恒星表面时不能被平均掉，因而使得观测结果出现了一些周期晃动的噪声。”

 

　　为了攻克这一问题而出现的技术就是不间断地进行观测，每隔10——15分钟就要对噪声源作平均。日内瓦大学的天文学家斯特凡·尤迪（Stephane Udry）声称，他就是利用这个方法搜寻行星的。“通过使用这种方法，我们已经有了十颗恒星样本，并发现了其中三颗都有行星围绕，”他说，“然而大量的观测是必须的，因为恒星并不可能仅仅有一颗行星围绕。因此，我们必须要囊括任何不同周期的行星，这需要时间。当尝试让测量更精确时，花销很快会变得昂贵起来。”

 

　　减少长期成本花费的最有效办法，即在短期内投入大量的资金建立视向速度专用天文台。“这些钱全部用于无间断的观测，”沃格特说，“这并不是新技术，也不是激光梳或一些新奇的近红外光谱仪，只需要5000万美元来建造直径6——8米的望远镜并在上面放置一台光谱仪，让它每个夜晚都在不间断地工作。”

 

　　沃格特和他的同事已建立了一个示范项目――自动化行星发现者（APF）：一个直径2.4米的机器人望远镜并配备一台高效率的光谱仪。沃格特指出，APF主要用于“短周期岩石行星的搜寻”。该项目目前已进入安装阶段，顺利的话今年2月就会运行。沃格特希望它能够发现一些较小的岩石行星。

 

　　视向速度最重要的作用是有助于验证并研究凌星观测。“凌星观测也是搜寻外太阳系类地行星的最有效方法，”尤迪说，“我们无法超越它。”

 

　　天文学家正在集思广益找寻开普勒天文望远镜的继任者，它将通过观测凌星现象来搜寻潜在的可居住世界。与此同时，麻省理工学院的天文学家萨罗·西格（Sara Seager）以及她的团队提出了一个成本更低的太阳系外行星卫星计划（ExoplanetSats），其核心思想是建造“立方卫星”（CubeSats）架构。CubeSats是一些微型卫星，每颗卫星都是立方体，且长、宽、高均为10厘米，由能够发射较大飞行器的低成本火箭把这些卫星送入轨道。西格的计划需要一个由几十个CubeSats构成的舰队，每一个都包含有一架小望远镜及指定设备锁定一颗恒星，并位于会干扰观测的地球大气层以外，这样的有效载荷可以检测到类太阳恒星的可居住带中是否有地球大小的行星经过。

 

　　西格承认，工程上对于这些微小卫星所必须的稳定性和热控技术将十分具有挑战性。她和她的团队希望能在2012年发射一个功能齐全的原型机，随后发射的每颗卫星仅需25万美元。“一方面，这种尝试似乎是有风险的。因为对太阳系外行星的搜寻结果显示了200颗行星中仅有1颗可能是地球大小的行星，”她说，“另一方面，这些卫星是模块化的且相对便宜，这样的卫星具有低风险、高回报的特点。这可能就是天空中的M地球计划。”