基于FAST望遠(yuǎn)鏡的地外文明共時觀測

張志嵩，張海燕，朱 巖，金乘進，張同杰，李 菂，朱麗春

（1. 中國科學(xué)院 國家天文臺，北京 100011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 北京師范大學(xué) 天文系 100875）

引 言

在過去的50年里，越來越多的證據(jù)表明，我們認(rèn)為生命必需的成分和條件在宇宙的任何地方都是普遍存在的，也許在我們的星系和附近的星系中就是普遍存在的。在分子云中發(fā)現(xiàn)了大量的前生物分子，包括酸、糖和亞胺。這些發(fā)現(xiàn)是大型復(fù)雜的有機結(jié)構(gòu)所必需的反應(yīng)物很容易在原行星環(huán)境中形成的跡象。系外行星本身，雖然一度被歸為猜測的領(lǐng)域，但現(xiàn)在似乎是更加確信，那里可能存在生命或智能生命的基本形式，這使得尋找地外生命體不再是無稽之談。

從1895年俄國物理學(xué)家A.C.波波夫和意大利物理學(xué)家G.馬可尼，分別成功地進行了無線電通信試驗之后，人類已經(jīng)制造產(chǎn)生出了人造無線電輻射。如果以足夠的能量從另一顆恒星發(fā)射到地球上，很容易被認(rèn)為是來自未知的自然源。這些輻射包括頻譜窄帶信號，例如與調(diào)頻（FM）或調(diào)幅（AM）電信有關(guān)的正弦載波，以及用于雷達的時間窄無線電脈沖。自然天體物理電磁輻射本質(zhì)上是由自然輻射物理下的隨機過程擴寬光譜的，已知光譜最窄的自然源的最小頻率寬度為500 Hz[1]。不超過幾個Hz光譜寬度的發(fā)射是智能文明工程活動的一個明確標(biāo)志。閃爍效應(yīng)可以使本質(zhì)上幅度穩(wěn)定的窄帶信號間歇出現(xiàn)，但窄帶信號很容易與背景輻射源區(qū)分開來，而且?guī)缀醪皇芴祗w物理色散的影響。

星際介質(zhì)在射電波長上是相對透明的，特別是cm波段，這使得射電傳輸非常適合星際間的通信。500 MHz～10 GHz之間的頻段是一個相對安靜的無線電窗口，對地球上接收和發(fā)射無線電信號尤其有吸引力。

雖然與來自地球的工程無線電發(fā)射相關(guān)的技術(shù)是由人類開發(fā)的，但類似的信號類型也可能被外星智能文明所使用。地外技術(shù)的電磁發(fā)射的具體性質(zhì)很難預(yù)測，但如果外星文明有意通過這種發(fā)射來表明其存在，那么使信號具有可識別性對他們是有益的。在可分辨性方面，脈沖和窄帶無線電信號都有優(yōu)點，可謹(jǐn)慎地同時進行搜索。這兩個潛在的信號將是目前SETI的主要觀測目標(biāo)。

尋找地外文明已經(jīng)有很長時間的歷史，最早的SETI項目是Ozma項目[2]，利用美國國家射電天文臺（National Radio Astronomy Observatory，NRAO）26 m望遠(yuǎn)鏡對近鄰的恒星進行信號搜索。射電SETI搜尋值得一提的是美國加州大學(xué)伯克利分校的SETI團隊。該團隊搜尋來自地外文明的窄帶信號已經(jīng)超過40年[3]。從第一代尋找近鄰智能生命體地外無線電信號系統(tǒng)（SERENDIP），只有100個頻譜通道，到現(xiàn)在發(fā)展到SERENDIP VI[4]的4億個頻譜通道，設(shè)備的升級使得可探索的頻域和頻譜分辨率都有了顯著的提升[5]。該團隊已經(jīng)在美國阿雷西博（Arecibo） 300 m望遠(yuǎn)鏡[6]，綠岸（Green Bank）100 m望遠(yuǎn)鏡，澳大利亞帕克斯（Parkes）64 m望遠(yuǎn)鏡[7]觀測超過百萬行星，上千個星系[8]。

FAST作為目前世界上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡[9-10]，在SETI觀測中具有得天獨厚的優(yōu)勢。和之前的世界最大單口徑望遠(yuǎn)鏡Arecibo相比，F(xiàn)AST由于地理位置的不同和主動反射面設(shè)計可以觀測的天區(qū)范圍是赤緯–14.3°～ 65.7°，而Arecibo觀測天區(qū)范圍是赤緯–1.5°～38.5°。所以FAST比Arecibo可以觀測到更廣的天區(qū)。除此以外，F(xiàn)AST靈敏度達到 1 600～2 000 m2/K，而作為曾經(jīng)靈敏度最高的Arecibo只有約1 100 m2/K。這使得FAST可以探測到更暗弱的天體；FAST19波束接收機相比于Arecibo的7波束可以在一次觀測得到更多的天空像素點，相同時間可以接收到更多來自不同天空位置的信號。FAST的這3個優(yōu)勢使得SETI觀測到地外信號的可能性得到顯著提升。

1 SETI共時觀測概述

射電天文學(xué)是依賴于觀測的學(xué)科，然而大型望遠(yuǎn)鏡的觀測時間非常寶貴，通常一段時間內(nèi)，只能對某一種源進行觀測。這種排他性，使得一段觀測時間內(nèi)所得到的觀測數(shù)據(jù)只能為一種科學(xué)目標(biāo)所用。為了提高數(shù)據(jù)的使用效率，在觀測時同時記錄分析用于不同科學(xué)目標(biāo)的數(shù)據(jù)的技術(shù)手段的共時觀測[11]，得到了越來越多的人的關(guān)注。在進行共時觀測的時候，望遠(yuǎn)鏡指向由其主要觀測目標(biāo)決定，此時，二級觀測同樣可以接收到數(shù)據(jù)，從而提高了觀測效率。

共時觀測這一概念，正是由早期從事SETI工作的科學(xué)家們提出，并在美國加州哈特克里克天文臺（Hat Creek Radio Observatory）、綠岸望遠(yuǎn)鏡以及Arecibo望遠(yuǎn)鏡上進行了嘗試。在搜尋系外智慧生命的研究中，科學(xué)家們需要盡可能多的觀測時間和觀測盡可能大的天區(qū)。近年來，隨著高性能計算機的普及，利用高性能計算機對射電望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)進行分布式計算，使得大量數(shù)據(jù)能夠同時被處理。

用于SETI研究的后端接收系統(tǒng)安裝在望遠(yuǎn)鏡接收機的后端，在使用這一接收機進行觀測的時候，接收機接收到的數(shù)據(jù)會分別發(fā)送至不同的后端設(shè)備，有用于SETI實驗的后端設(shè)備，同時還有用于觀測脈沖星、中性氫、快速射電暴等不同科學(xué)目標(biāo)的后端設(shè)備。其基本工作原理是：記錄功率譜平均值20倍以上的信號，每個這樣的信號被稱為一個信號點（hit），這些hits數(shù)據(jù)會通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（hashpipe）存儲到緩存中，進而傳遞給圖形處理器（GPU）計算出斯托克斯參量，輸出用于科學(xué)計算的FITS格式的文件，包含著時間、頻率和坐標(biāo)等信息。圖1為FAST多波束數(shù)字后端組成。

圖1 多波束數(shù)字后端Fig. 1 Multibeam digital backend

基于FAST多波束接收機和并行終端，中國天文屆已經(jīng)規(guī)劃了覆蓋整個北天的漂移掃描共時觀測：Commensal Radio Astronomy FAST Survey（CRAFTS）[12]利用超過5 000 h的觀測，覆蓋57%的天空。SETI觀測將可以與CRAFTS及其它FAST巡天項目實現(xiàn)共時觀測，這使得長時間觀測成為可能。我們計劃用3年的時間進行巡天觀測，來找到可能的候選目標(biāo)，然后后續(xù)對候選目標(biāo)進行追蹤觀測。

共時觀測的優(yōu)點是不占用望遠(yuǎn)鏡時間，但是產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大。如果采用19波束接收機，每個波束的采樣率為1 Gsps，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將達到

這樣的數(shù)據(jù)量是存儲系統(tǒng)無法承受的。所以我們采用一套實時的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)SERENDIP VI，和數(shù)據(jù)分析程序星云（nebula）來對數(shù)據(jù)進行分析和提取。圖2是整個數(shù)據(jù)處理流程框架。第2節(jié)和第3節(jié)將分別介紹SERENDIP和nebula系統(tǒng)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程框架Fig. 2 Data processing framework

2 SERENDIP-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

SERENDIP VI[13]系統(tǒng)是一個400 M通道的頻譜分析儀，覆蓋頻段從1 025～1 475 MHz，頻譜分辨率達到2 Hz。系統(tǒng)由基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）板的前端和基于GPU的后端組成，并通過10 Gbps以太網(wǎng)交換機連接。前端對信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成8 bits數(shù)字信號。這些信號被打包送到后端。GPU通過交換機接收數(shù)據(jù)，通過高速并行運算提取信號，寫入FITS格式文件中，并包含望遠(yuǎn)鏡的指向等信息。

GPU處理流程包括：

1）將得到的時序電壓信號數(shù)據(jù)分配到GPU顯存上，通過統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)（CUDA）做快速傅里葉變換，積分時間為0.537 s，長度為256 M頻道，頻段從1 025 ～1 475 MHz的頻域信號。

2）通過公式

對頻域信號的實部和虛部分別平方求和，得到信號的功率譜。

3）通過對局部取均值的方法計算得到功率譜的基線。

4）最后通過設(shè)置的閾值對比信號與基線的強度差，超過閾值的以hit的形式記錄在FITS文件中，包括信號的時間、頻率、強度、望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角等信息。

3 干擾信號去除與候選目標(biāo)篩選

射電噪聲干擾一直是射電天文研究的重要部分，只有將射電噪聲去除，天文學(xué)家才能更好地研究來自宇宙的微弱信號。到目前為止，盡管去除噪聲的方法很多，但是并沒有一種算法可以將噪聲干擾完全去除[14-15]。Nebula對3種主要的干擾噪聲進行去除。

3.1 持續(xù)窄帶干擾

持續(xù)窄帶干擾是最主要的干擾噪聲之一。干擾的來源有很多，包括近地雷達信號、電視廣播信號和衛(wèi)星信號等。如圖3所示，和希望看到的hits分布相比，持續(xù)窄帶干擾噪聲明顯分布更集中，成豎狀窄帶。這種干擾的存在嚴(yán)重影響到候選目標(biāo)的提取。一種有效的去除方法是調(diào)查這些信號是否持續(xù)在多個天區(qū)出現(xiàn)，真正來自地外的窄帶信號應(yīng)該只在天空的固定區(qū)域出現(xiàn)，同時在很多天區(qū)出現(xiàn)很大概率是來自地球上的干擾信號。所以在處理中，任何有很多hits信號并且同時存在于多個天區(qū)的頻道將被去除。

圖3 持續(xù)窄帶干擾Fig. 3 Persistent narrowband interference

3.2 寬帶信號干擾

盡管尋找的是來自地外的窄帶信號，但是也會遇到很多寬帶信號干擾。主要來自于自然界的閃電、火花或者地球表面的電力傳輸電纜等。圖4展示了寬帶信號干擾，圖中橫條為寬帶信號干擾。為了去除寬帶信號干擾，首先將所有的hits按時間進行排序，然后計算每個時間點光譜的譜熵

圖4 寬帶信號Fig. 4 Broadband interference

其中：k為時間序列；i為固定時間點的頻率通道編號；N為每個時間點所包含的hits數(shù)量；H為每個hit所在頻率通道數(shù)字。先計算全部譜熵的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并設(shè)置閾值，低于閾值的信號將被標(biāo)記為寬帶干擾。值得注意的是，一個很強的SETI信號，可能會同時出現(xiàn)在多個相鄰頻道中，這也會使得譜熵值較低。為了防止這些信號被去除，把小于1 024個頻道的事件當(dāng)成一個hit來計算譜熵。

3.3 漂移信號

漂移信號干擾，頻率隨時間持續(xù)變化，主要來源于手機等移動設(shè)備的信號。這類信號干擾最難去除，因為來自地外的信號由于多普勒效應(yīng)也會產(chǎn)生頻率漂移。

由公式（4）可以估算地外信號因多普勒產(chǎn)生的頻率漂移，其中： dvr是地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)速度以及目標(biāo)天體的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)速度的總和；frest為信號的當(dāng)前頻率；c是光速。在此規(guī)定頻率漂移超過200 nHz（該結(jié)論由伯克利突破聆聽計劃提供）的信號為漂移干擾信號。

3.4 候選目標(biāo)篩選

這里首先做假設(shè)：預(yù)搜尋的地外文明信號是帶寬小于500 Hz的窄帶信號。所以在望遠(yuǎn)鏡進行漂移掃描的過程中，假想的SETI信號應(yīng)為一些致密的小團組。為了篩選出這些小團組，選用了一種無監(jiān)督密度聚類的方法DBSCAN，并對篩選出來的團組增加了兩個規(guī)則限制。團組所有信號需來自于天空相同位置；團組信號帶寬小于500 Hz，持續(xù)時間小于100 s。

4 FAST數(shù)據(jù)處理

對2019年7月的5 h漂移掃描數(shù)據(jù)進行了處理來驗證數(shù)據(jù)處理流程的有效性，詳細(xì)的實驗過程及結(jié)果已刊登在《美國天體物理雜志》（The Astrophysical Journal）[16]。

為了驗證數(shù)據(jù)處理流程的有效性，向數(shù)據(jù)中加入了20組人工假想信號，即帶寬為頻譜分辨率的窄帶信號，并只在天空一點存在隨望遠(yuǎn)鏡的移動而消失。實驗結(jié)果表明，5 h的數(shù)據(jù)量大概80 G的數(shù)據(jù)，經(jīng)過我們的數(shù)據(jù)處理流程篩選出83組候選目標(biāo)團組和19組假想信號。

可以看出我們的數(shù)據(jù)處理流程篩選出了20組假想信號中的19組，只有一組信號因被大量RFI覆蓋被拋棄。通過分析83組候選團組，雖然它們?nèi)匀粊碜杂赗FI的一部分，但是它們的特征和人工假想信號相吻合。之所以被篩選出來，主要因為RFI去除算法仍然會殘留小部分RFI。

83組候選團組中有兩組候選目標(biāo)無法從數(shù)據(jù)中判斷為RFI，即使在原始數(shù)據(jù)中，這兩個團組周圍均無RFI信號。但是經(jīng)過后期分析，并未在該信號所在天區(qū)找到潛在的類地行星，初步判斷依然為RFI。在后續(xù)的研究中將會對該天區(qū)做更多的觀測以進一步分析。

雖然對FAST的5 h漂移掃描數(shù)據(jù)的處理并未發(fā)現(xiàn)可疑的地外文明信號，但是實驗結(jié)果已經(jīng)很好的證明了所提數(shù)據(jù)處理流程能夠高效的完成RFI去除以及候選目標(biāo)篩選任務(wù)。這將為未來的SETI觀測打下堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

FAST是目前世界上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，具有高靈敏度和大觀測區(qū)域的特點，獨特的懸停式饋源倉設(shè)計更是一大創(chuàng)新，使得望遠(yuǎn)鏡被遮擋的面積大大縮小，新安裝的19波束接收機使得望遠(yuǎn)鏡在同一時間可以觀測到更多的天區(qū)。FAST這些技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)勢非常契合SETI觀測的要求。目前用于SETI共時觀測的自動、實時和多科學(xué)目標(biāo)后端已經(jīng)順利安裝，并測試順利。因此對于用FAST的SETI觀測提出有以下四點目標(biāo)和展望：

1）可以通過更多的共時觀測來測試我們的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)性能，以及通過人工添加窄帶信號來測試去噪效果。

2）通過1～2年時間的巡天觀測，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行分析，望可獲得一些好的候選目標(biāo)。并對候選目標(biāo)進行后續(xù)觀測進一步檢驗候選目標(biāo)的可信度與可重復(fù)性。

3）除此之外，還可挑選距離太陽50 pc以內(nèi)的銀河系內(nèi)恒星和臨近的星系作為目標(biāo)觀測，參見表1～2[17]。

表1 恒星目標(biāo)Table 1 Star target

表2 星系目標(biāo)Table 2 Galaxies

4）還可和伯克利SETI團隊合作，觀測其在阿雷西博巡天觀測得到的候選目標(biāo)。這樣既節(jié)省我方的觀測時間，又可以與Arecibo巡天進行校對。

SETI科學(xué)觀測是一項長期的科學(xué)探索，希望通過FAST望遠(yuǎn)鏡找尋到地外文明的證據(jù)，與此同時，長期的共時觀測非常有利于了解FAST周圍的電磁干擾環(huán)境，優(yōu)化現(xiàn)有的去干擾分析系統(tǒng)，也為FAST的其它科學(xué)目標(biāo)觀測提供便利。