如果存在外星文明，他们是怎么看待我们地球文明的呢？

• 图：理想的“地球2.0”将是一颗地球大小、质量相当的行星，与一颗非常像我们自己的恒星之间的距离与地-日相似。我们还没有找到这样一个世界，但是我们正在努力估计银河系中可能有多少这样的行星。有这么多数据可供我们使用，令人费解的是，不同的估计值有多大差异。

在整个宇宙中，可以看到数万亿个星系，每一个星系通常包含数十亿个恒星。在地球上，生命不仅在某种程度上产生、繁衍、复杂和分化，而且在某种程度上是智能的、技术先进的，甚至是航天的。但这些最新的发展——带我们进入太空和信息时代——是最近才出现的，太空是巨大的。如果一个外星文明看到了我们，从他们的角度来看，我们会显得有趣吗？

• 图：八大行星的轨道在偏心率和近日点（最接近点）与远日点（最远距离）相对于太阳的差异上有所不同。为什么有些行星会或多或少地彼此偏心，这并没有根本的原因；这只是太阳系形成的初始条件的结果。然而，对于水星这样的内行星来说，凌日的几率要大得多，水星每年要经历4次这样的凌日，而且与任何外行星相比，它有近2%的几率能很好地对准，而外行星凌日的时间要长得多，对准的几率也要低得多。

在我们的太阳系中，地球是一个岩石行星，它有一个适合生命的大气，环绕着我们的太阳，在我们称之为“宜居区”的地方：在距离恒星一定距离的地方，液态水，在地球的大气中，能够稳定地存在于行星表面。火星和金星也有可能位于这一空间区域，但金星目前太热，火星太冷（大气层太薄），地球上的生命无法在那里繁衍生息。

目前，我们发现太阳系外行星的两种最有效的方法是：

1. 恒星摆动法，即绕轨道运行的行星拖拽其母恒星，使其沿着观察者的视线摆动，并使科学家能够确定行星的周期和质量（直至其轨道方向的不确定性），以及
2. 一种凌日方法，从外部观测者的角度看，一颗绕轨道运行的行星穿过其母星的表面，当行星的圆盘挡住恒星的一部分光线时，周期性地导致母星变暗。

• 图：开普勒系外行星KOI-64的主经纬仪（L）和探测到位于母星（R）后面的系外行星。主要的磁通倾角是行星凌日最初是如何被发现的；额外的信息有助于科学家确定半径和轨道周期以外的性质。

如果一个足够先进的外星文明从很远的地方观察地球，而我们恰好处在正确的方向，让我们的世界从他们的角度穿过太阳的表面，那么他们就有足够的理由，对发现我们世界有人居住抱有希望。

这是真的：光只能以某种有限的速度（光速）传播，这意味着即使是最近的恒星，现在也只能从我们的行星接收几年或几十年前发出的信号。我们银河系中更遥远的恒星在几百年前或几千年前就看到了地球，而遥远星系中的观察者则认为我们是几百万年甚至几十亿年前。尽管如此，即使在几十亿光年之外，也能发现我们星球上有人居住的迹象，因为每当发生过境时，外星人可能会拍下地球大气层的光谱。

• 图：这是美国宇航局系外行星计划中不同元素的一个例证，包括地面观测站，如W.M.Keck观测站，以及天基观测站，如哈勃、斯皮策、开普勒、凌日系外行星观测卫星、詹姆斯·韦伯太空望远镜、广域红外观测望远镜和未来任务。苔丝和詹姆斯韦伯的结合将揭示迄今为止最像月球的外卫星，甚至可能在他们恒星的可居住区，而地面30米望远镜，wfirst，以及可能下一代天基天文台，如LUVOIR或HabEx，能真正找到人类梦想已久的东西：太阳系以外的有人居住的世界。

当地球经过太阳前面（或任何行星经过其母恒星前面）时，与之碰撞的星光：

• 地球表面被阻塞，导致磁通量下降，从而宣告了行星的存在，
• 没有任何东西，完全错过的行星，只是从恒星向观测者自由流动，构成了背景光，
• 主要通过地球的大气层（但不是表面），大气中的原子和分子将吸收光的一小部分。

被吸收的光会激发它们碰撞的原子或分子，这会导致大气光谱中出现吸收或发射特征。在太阳系以外的行星大气中，我们已经利用这项技术发现了氢、氦等原子，甚至水等分子。

• 图：当一颗行星在它的母恒星前面运行时，一些光不仅被阻挡，而且如果有大气层存在，就会通过它过滤，产生一个足够精密的天文台能够探测到的吸收或发射线。如果有有机分子或大量的分子氧，我们可能也能找到。在未来的某个时候。重要的是，我们不仅要考虑我们所知生命的特征，还要考虑我们在地球上找不到的可能生命的特征。

如果一个外星文明能够在过去的20亿到25亿年中的任何时候观测到我们的星球，他们就会发现一个星球，它的大气层主要由氮气构成，但同时也含有大量的分子氧，水汽和氩气将占大气的1%左右，然后会有微量的二氧化碳、甲烷、臭氧和其他一些值得注意的化合物。

如果我们在另一个世界而不是在我们自己的世界里发现这种气体的组合，它将是一把永恒的“冒烟枪”。我们知道有一些无机途径可以在行星上获得大量氧气，但如果没有生命，达到5%或更高的水平似乎是极不可取的。在一个以氮为主的大气中，氧气的存在对生命更有利，因此如果地球为了一个外星文明而穿越太阳表面，我们将是一个非常有趣的世界，即使在恐龙时代。

• 图：尽管地球整个历史中不同大气成分的确切比例不得而知，但在25亿年前，大气中存在大量甲烷，几乎没有氧气。随着氧气的到来，甲烷被破坏，地球上最大的冰河时代开始了。然而，这些大气变化是由生物过程驱动的；探测到一个生物变化的大气可能是我们发现太阳系以外的外星生命的第一个线索。

这是一种寻找潜在有人居住的星球的可靠方法，但它只适用于从外部遥远的观测者的角度偶然与母星对齐的行星。这就是未来的天文台，如詹姆斯韦伯太空望远镜或目前正在建造的30米地面望远镜，计划在离地球最近的行星上寻找潜在的生物信号。

然而，如果我们只使用过境技术，我们肯定会错过大多数有人居住的世界。如果这条路线偏离了一个很小的量——对地球这样的行星来说，偏离了几分之一度——那么这条路线根本不会发生，我们也就没有办法探测它的大气成分。但我们还有希望，因为还有另一种技术不依赖于幸运的对准，可以通过技术上可预见的改进，将其带到我们的可观测范围内：直接成像。

• 图：这张来自哈勃望远镜的可见光图，显示了新发现的北落师门B号行星围绕其母星运行。这是第一次在太阳系之外用可见光观测到行星。然而，在直接成像方面，要发现一个系外卫星外，需要更先进的技术才能实现，或者可以归因于智能外星人的高级特征。

由于哈勃太空望远镜（以及后来的地面自适应光学系统）的强大威力，我们已经拍摄了第一张系外行星的直接图像，甚至亲眼目睹了它们围绕其母恒星的轨道运行。通过使用日冕仪或星影仪等仪器，我们可以阻挡母星（可能有人居住的行星轨道）的光线，只成像感兴趣的行星。

仅仅从一个像素，如果我们愿意花大量的时间，等待和观察遥远的世界，我们不仅可以判断它是否有人居住，而且我们还可以寻找到一些，我们在地球上发现的有关该行星最引人注目的特征。通过拍摄行星的直接图像并量化不同时间到达的各种波长的光，我们可以了解一长串通过拍摄行星的直接图像并量化不同时间到达的各种波长的光，我们可以了解许多关于该行星的属性。

• 图：早在20世纪20年代，星影概念就可以实现系外行星的直接成像。这幅概念图展示了一台使用星影的望远镜，使我们能够成像围绕恒星运行的行星，同时将恒星的光遮挡到100亿分之一以上。

从短周期变化和反复出现的光谱特征，我们可以确定行星的轨道周期。

从行星的颜色，我们可以确定世界上有多少水被覆盖在陆地与冰之间，并且如果存在的话，就可以探测到云层的存在。

（行星围绕其母星进行一次完整的旋转），我们可以确定：

• 它的轨道性质（从相位来看）
• 土地是否随着季节的推移而重新变成绿色、棕色和绿色（从光度观测来看）。
• 而且，有了足够先进的技术，我们甚至可以确定是否有任何类型的人工照明意外地照亮了行星的夜晚。

• 图：这张夜间地球的合成图像显示了人工照明对我们的星球在不受阳光照射的部分的影响。这个图像是基于1994和1995的数据构建的，而介入的25年在地球上的夜晚创造了大约两倍的光的增加。我们征服了黑夜，但付出了巨大的环境代价。有了足够先进的望远镜，外星文明就能探测到这些人造光，并推断出地球上居住着智慧的“外星人”。

对于一个不到100光年远的观测者来说，人工照明对于一个足够大的望远镜来说是可见的，并且经过优化可以看到这种微弱的光。人类通过人工照明征服了黑夜，这是一项惊人的科技壮举，但代价是：植物、动物和其他生物已经适应了数十亿年的进化，失去了自然的黑暗。

然而，有一个我们通常不会考虑的好处：事实上，我们已经修改了我们星球的自然外观，这意味着一个足够智能的外星物种观察我们，可以推断出一个改变行星的物种的存在。这不是稳操胜券的事，但这样的“签名”是一个强烈的暗示，地球不仅有人居住，而且居住着一个聪明，技术先进的物种。

• 左图为DSCOVR-EPIC相机拍摄的地球图像。对，同一张图像的分辨率降低到3×3像素，类似于研究人员在未来的系外行星观测中看到的情况。

如果没有第二个宇宙中的生命的例子，我们只能推测在一个可能适宜居住的星球上产生生命的几率是多少。银河系中可能还有数十亿个其他世界，它们现在就有生命，或者地球可能是唯一的一个。在银河系的众多行星上，可能有一个复杂的生命维持数亿年甚至数十亿年，或者地球可能就是它。

最后，在我们的星系中可能有成千上万的外星物种，或者人类可能是整个可见宇宙中最先进的生物。直到我们找到第二个生命的例子，知道我们并不孤单，我们所能做的就是推测和限制那些不存在的东西。

• 图：已知有四颗系外行星围绕着HR 8799恒星运行，它们的质量都比木星大。这些行星都是通过7年的直接成像探测到的，这些行星的周期从几十年到几百年不等。在我们的太阳系中，内行星围绕恒星的旋转速度更快，外行星的旋转速度也更慢，正如引力定律所预测的那样。有了下一代的望远镜，比如JWST，GMT和ELT，我们也许能够测量离我们最近的恒星周围的类地行星或超类地行星。

我们从其他文明中寻找的同样的信号——大气信号、以特定方式演化的地表特征、卫星和航天器，甚至像调频无线电波这样蓄意、信息丰富的信号——使我们自己的文明同样（或更多）被先进的外星生物探测到。即使在很远的地方，有人居住的行星也可以被辨认出来，但是，只有那些与我们文明相接近或更高级的文明，才能察觉到一个有着先进技术的生物居住的地球，才能探测到我们目前的文明状态。

尽管宇宙中的大多数星系距离地球有几十亿光年，但在远离地球几百光年内有数百万颗恒星。这意味着数以百万计的行星，数以百万计的生命机会，甚至数以百万计的智能外星人的可能性。如果附近有这样的一个行星世界，即使相隔巨大的宇宙距离，也不会阻止我们找到它们，就像它们有能力发现我们一样。

光速可能是一个限制因素，但只要有足够的时间，人类的影响就会对居住在600多亿星系中的任一星系的任何人可见。这可能不利于最快的对话，但是在地球之外发现一个外星生命的例子，将永远改变我们的生存观。