发现的涓涓细流变成了奔腾的江河。
在第一批行星被发现环绕其他恒星运行20多年后，地面和太空中改进的仪器使这一数字猛增:现在已经超过了2000颗。这些发现包括“热木星”、“超级地球”和其他在我们的太阳系中没有对应的天体，这迫使天文学家们从根本上重新思考他们关于行星系统是如何形成和演化的理论。
然而，发现仅仅是个开始。天文学家正积极地进入系外行星研究的关键阶段:找出这些行星是什么样子。大多数的系外行星探测技术除了揭示行星的质量、大小和轨道外，几乎没有其他信息。但它是像地球一样的岩石还是像木星一样的气体巨星呢?天气是酷热难耐还是严寒刺骨?它的大气是由什么构成的?大气中是否含有水、甲烷和氧等分子，它们的比例不稳定，可能是生命的特征?
天文学家用来解决这类问题的唯一可靠工具是光谱学:一种分析直接来自行星表面或穿过其大气层的光的波长的技术。每一种元素或分子都产生一种“线”的特征模式，即已知波长处的光发射峰或吸收峰，因此观测者可以通过观察遥远物体的光谱来判断其存在的物质。图森市亚利桑那大学的天文学家伊恩·克罗斯菲尔德说:“没有光谱学，在某种程度上你只能猜测你看到了什么。”
但光谱学传统上要求对该物体有清晰的观察，而这通常是系外行星所不具备的。大多数新发现的世界，都是在一颗原本看不见的行星从它的表面经过时，恒星发出的微小的暗光;其他的只能通过一颗恒星在看不见的伴星的引力作用下来回摆动的轻微摆动来得知。天文学家经常说，试图研究这样一个物体就像盯着远处的探照灯(恒星)，试图看到附近盘旋的萤火虫(行星)。
然而，近年来，观察人士已开始取得进展。一些科学家提取了系外行星穿过母星表面时通过其大气层的光谱——这相当于测量萤火虫掠过探照灯光束时翅膀的颜色。还有一些人挡住了母星的光线，这样他们就能看到遥远轨道上的系外行星，并直接记录它们的光谱。
在过去的两年里，天文学家已经开始记录新一代定制仪器的光谱，比如位于智利切罗帕查翁山顶的高8.1米的双子座南望远镜上的双子座行星成像仪。系外行星光谱学将是目前正在开发的几架宇宙飞船和地面望远镜的首要任务。天文学家们正热切地等待着NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)，它将在2018年发射时为这项任务带来前所未有的聚光能力和灵敏度。
位于夏威夷莫纳克亚山的日本斯巴鲁望远镜的天文学家塞恩·居里说，对于那些希望对新发现的世界有深入了解的人来说，这是令人兴奋的时刻。“我们正处在一场革命的风口浪尖。”
1995年，瑞士日内瓦天文台的天文学家Michel Mayor和Didier Queloz发现了第一个围绕类太阳恒星运行的系外行星。他们得出的结论是，这是由一颗质量至少是地球的150倍(约为木星质量的一半)的行星的引力造成的，它每4天左右绕恒星运行一次。随着系外行星热的兴起，其他的发现也随之而来，这使得望远镜的管理者们为寻找行星提供了更多的观测时间。
这些发现很快激发了马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心天文学家大卫·查博诺的灵感。他推断，当一颗行星“凌日”，或从一颗恒星前面经过时，其大气中的分子会吸收部分星光，并在其中留下光谱指纹。有可能探测到那些指纹吗?
为了找到答案，夏博诺决定寻找钠。“钠含量不是特别丰富，”他说，“但钠有非常清晰的光谱特征”——它的激发分子发出两道非常强的光，这让钠路灯呈现出人们熟悉的橘黄色。当钠离子被背光照射时，穿过钠离子的光在光谱的同一点上有暗带，夏博诺希望这些暗带相对容易被发现。
它们是:2002年，夏博诺和他的同事宣布，他们使用哈勃太空望远镜探测到了一颗木星大小的系外行星HD 209458发出的钠离子信号。HD 209458是一颗距离地球约47秒(150光年)的恒星。这是对系外行星大气的第一次探测和第一次光谱测量。几年之内，基于太空的凌日观测记录了更完整的光谱，并探测到了一氧化碳和水蒸气等气体。
Charbonneau说，使用这种技术意味着在恒星光谱中寻找非常微小的变化——可能是万分之一。哈勃过去和现在都是观测者的首选仪器:它不必与地球大气中气体对光线的吸收相抗争，因此它的光谱非常清晰，易于解释。但是观测时间的竞争非常激烈，所以天文学家也使用地面望远镜。
这些望远镜的确需要处理大气干扰，但通过收集比哈勃更多的光可以克服它。这使得他们能够探测到更微弱的物体，并更清晰地分离出个体的光谱特征。这是值得的，因为大多数系外行星都位于相对于地球运行的恒星系统中。“所以它们的波长发生了多普勒位移，”Charbonneau说，这意味着来自它们的辐射被它们的运动拉伸或压缩，杏耀代理开号光谱线与地球大气中相应的线发生了轻微的位移。由于这两组光谱线不再重叠，观测者可以确定有多少信号来自这颗系外行星。利用这种方法，天文学家们已经能够探测到一个行星大气中10万分之一的气体。
凌日光谱技术的扩展使得天文学家能够测量从行星表面反射的光。当行星运行到它的恒星表面时，也就是它在轨道的远侧，白天的那一面面对着地球(见“恒星阴影”)，它们就会这样做。加拿大蒙特利尔麦吉尔太空研究所的天文学家尼古拉斯·考恩说，观测者将不能把它看作一个单独的物体，但他们将知道它的光谱与恒星的光谱相结合。然而，不久之后，这颗行星将从恒星后面经过，并被遮住——这时，考恩说，“你从一颗行星和恒星变成了一颗恒星。”如果你测量流量的不同，你就能知道有多少光来自这个星球。他说，这个过程要求很高，
杏耀娱乐如何开户 ，但它可以测量木星大小的行星在近距离轨道上的红外光谱，即使它的亮度不到该恒星的0.1%。
这项技术的一个更有野心的应用是跟踪一颗系外行星的完整轨道。通过减去这颗行星在月食期间获得的只有恒星的光谱，观测者可以得到这颗行星大气的光谱，因为它的轮廓从凌日后的薄月牙形转变为半月形，然后在远端的全景图。这使得他们能够绘制出一幅相对精细的大气图，以及它是如何随时间变化的。考恩和他的同事在2012年首次报道了这种技术，他们使用了NASA斯皮策太空望远镜的红外数据。他们显示，系外行星HD 189733b如预测的那样，在其赤道附近10度范围内是最热的。从那以后，其他研究人员使用哈勃和斯皮策来更详细地绘制系外行星的大气图。考恩说，有了JWST，“就可以很容易地绘制出热木星大气的3D地图。”
过境光谱学有它的局限性。一些系外行星的光谱几乎没有云团的特征，云团由液滴或微尘粒子组成，它们不会像孤立分子那样在光谱上留下印记。夏博诺说，云层是一个大问题。“我们无法直接测量这些云是由什么构成的。我们只知道它们挡住了光线。“它们不一定是由水蒸气构成的。Charbonneau指出，被云笼罩的超级地球GJ 1214b，距离地球12秒，温度非常高，它的云可能是由硫化锌和氯化钾组成的。在更热的星球上，这些云可能含有铁或岩石的水滴。
位于纽约伊萨卡的康奈尔大学卡尔·萨根研究所的主任丽莎·柯廷安指出了过境法的另一个局限性。她说:“当光线击中一颗凌日行星时，它不仅仅被吸收。”“它在大气中也会弯曲”，使得地球上的观测者无法看到。这种弯曲称为折射，随着大气变厚而增加。她说，如果外星天文学家试图获得地球的光谱读数，折射将阻止他们探测到离地表10公里以外的任何深度。但她说，地球上大部分的水都在大气层的10公里深处，因此，通过类比，“水将是在类地系外行星中最难找到的东西之一”。
寻找和研究系外行星的另一种方法是试图阻挡星光并直接成像，这相当于在探照灯前握住一只手寻找萤火虫。早期的努力是徒劳的:即使是最暗的母星也比系外行星亮得多。成功的秘诀是寻找远离探照灯的更明亮的萤火虫——也就是说，年轻的行星仍然在远离恒星的轨道上因形成热而发光。两组科学家在2008年同时公布了第一批直接拍摄到的系外行星图像。这些物体包括3颗大约有6000万年历史的行星围绕着HR 8799恒星运行，还有一颗超过1亿年的行星围绕着距离地球约8秒的明亮恒星北落师门运行。
为了获得这些天体的光谱，天文学家们求助于自适应光学技术，这种技术可以校正由于地球大气中的湍流而引起的恒星闪烁，并使在其附近发现系外行星变得更加容易。同样重要的是将光盘插入望远镜的光路以阻挡来自恒星的光，以及先进的信号处理器以数字锐化图像。
加州斯坦福大学天文学家、HR 8799行星的共同发现者布鲁斯·麦金托什说:“直接成像光谱很漂亮，它能告诉你很多关于行星及其形成的信息。”2011年，他和他的同事报告说，他们首次使用第一代直接成像仪器在其中一颗行星上发现了水蒸气，这种仪器只能观测温度高于1000开尔文的系外行星。现在,苹果的首席研究员是双子星球成像仪,,随着类似Spectro-Polarimetric高对比度系外行星研究(球体)成像仪在智利欧洲南方天文台的甚大望远镜,是直接建立的一代仪器图像和光谱的系外行星下降到600 k。
2014年11月，“双子星”探测器启动了一项耗时数年的任务，寻找类似木星的行星，它们围绕着年轻的热恒星运行。埃里达尼51号是一颗距今约30秒的恒星，距今已有2000万年的历史。它的早期观测发现，一颗类似木星的行星距离埃里达尼51号的距离是木星距离太阳距离的2.5倍。光谱显示，这颗名为51 Eridani b的系外行星的大气中甲烷含量比其他任何系外行星都要多。甲烷是已知的木星大气的组成部分。Currie说:“令人兴奋的是，当Eridani b和其他新的系外行星的光谱看起来更正常一些的时候，我们就能看到它们了。”这可能为了解行星的形成提供重要的见解，目前的行星形成理论主要是基于太阳系的数据。
SPHERE已经开始了一项类似的调查，但是在2015年2月才开始，并且没有太多的报告。巴黎天文台的天文学家Anthony Boccaletti说，到目前为止，最有趣的发现是一个由5个气体团组成的小组，它们以高速远离年轻的AU显微镜ii星，而AU显微镜ii星被认为异常容易发生耀斑和其他活动。“我们真的不知道它们是什么，”他说。
系外行星光谱学从它的早期发展到现在已经有很长的路要走，杏耀拿代理那时的从业人员还在努力从嘈杂的环境中提取极其微弱的信号。最初的结果常常是有问题的。现在，克罗斯菲尔德说，“在大多数情况下，我们发现的情况是成立的，而且是可以重复的。”
新一代的仪器有望揭示更多信息。NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)定于明年8月发射，它将花两年时间寻找凌日太阳系中20多万颗最亮恒星的系外行星。系外行星也将是JWST的目标。凭借其6.5米的望远镜和先进的仪器，韦伯应该能看到比2.4米的哈勃更多的东西。麦金托什预测说:“泰丝和韦伯将在五年内拥有这个空间。”
另外两项计划中的——但尚未批准的——太空任务将使用系外行星光谱学。NASA的2.4米宽的红外巡天望远镜预计将在本世纪20年代中期发射，它将把大部分时间花在宇宙学问题上，但预计将发现和研究2600颗系外行星。Currie说，它应该能够拍摄到类似木星的行星绕着附近的恒星运行，尽管与冥王星或推测存在于太阳系边缘的假想的“行星X”(或地球)类似的体积更小、温度更低的天体将仍然无法到达。麦金托什说:“我们在太空中需要一个10米的望远镜来观测其他的地球。”
第二个任务是ARIEL，即大气遥感红外系外行星大调查，它是欧洲航天局2026年发射的中型任务的三个候选目标之一。这架1米的望远镜将专门用于凌日光谱和对温度高于500开尔文的系外行星的调查。
在大约10年内，天文学家们希望看到三架巨型望远镜的完工:位于智利拉斯坎帕纳斯天文台的24.5米的巨型麦哲伦望远镜，位于莫纳克亚山的30米望远镜，以及位于智利塞罗阿尔玛地带的欧洲超大望远镜。这三家公司都将配备自适应光学系统，可以肯定的是，它们将进行系外行星光谱学研究，以测试基于收集到的数据建立的模型。
Charbonneau说，这些测量可能是天文学家在更广阔的宇宙中发现生命的第一个现实的机会。“我很兴奋。”
