如何尋找地外文明

文/ 物質(zhì)第四態(tài)

當(dāng)我們仰望星空時，會產(chǎn)生一種自然而然的疑問：在浩瀚的太空中，我們是唯一的文明嗎？在天文觀測手段不甚發(fā)達(dá)的年代，人們曾經(jīng)幻想過太陽系的其他行星上也存在著生命。而當(dāng)我們逐個揭開這些行星的神秘面紗時，卻發(fā)現(xiàn)要想找到宇宙之中的同類，我們不得不將視角望向更加遙遠(yuǎn)的太空之中。

▲ 阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡

▲ 開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的可能具備宜居條件的系外行星

進(jìn)行射電觀測

當(dāng)人們開始用無線電傳播信號之后，人們自然而然地聯(lián)想到，既然無線電信號可以跨越大洋，將信息送到遙遠(yuǎn)的地方，那么外星人也有可能利用無線電信號，將文明的信息傳播到宇宙的其他位置。在無線電通信技術(shù)投入使用后不久，就有科學(xué)家開始了探索外星信號的嘗試。

在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，相繼有物理學(xué)家特斯拉、無線電技術(shù)的先驅(qū)馬可尼等人先后宣稱自己發(fā)現(xiàn)了來自火星的信號。那時，即便最好的望遠(yuǎn)鏡也只能勉強(qiáng)分辨火星表面的地形地貌，而與地球相似的山峰與河流讓人們紛紛暢想火星人的存在。一旦奇怪的無線電信號與火星的出現(xiàn)有著一丁點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，人們自然而然地會聯(lián)想到這是否是來自火星人發(fā)出的信息。1924年，當(dāng)火星與地球的距離變得相對接近時，美國在8月21日到8月23日開展了“全國廣播靜默日”活動，所有廣播電臺每小時靜默5分鐘，為收聽火星人的信號提供一個“安靜”的環(huán)境。不過，以我們今天的探測結(jié)果看，火星表面并沒有文明存在，這些努力當(dāng)然也沒有結(jié)果。

▲ 開普勒空間望遠(yuǎn)鏡

當(dāng)射電天文學(xué)在上世紀(jì)初誕生后，射電天文學(xué)家們很快意識到，這些射電望遠(yuǎn)鏡不但可以捕捉到來自天體物理過程的自然信號，也有可能捕捉到地外文明發(fā)射的人工信號。1960年，康奈爾大學(xué)的天文學(xué)家德雷克提出了“水洞”的概念。他認(rèn)為，如果其他文明與我們具有相同生命體構(gòu)成方式，自然會對“水”這種物質(zhì)情有獨(dú)鐘。在1.4GHz附近，有一個位于氫元素和氫氧元素構(gòu)成的無線電譜線之間的區(qū)域，剛好可以用來疊加上人工信號。雖然德雷克自己在當(dāng)時對幾顆恒星附近的搜索一無所獲，但“水洞”的概念深刻影響了后來對地外文明的搜索，目前仍是首選的頻段之一。

1957年，美國自然科學(xué)基金會資助俄亥俄州立大學(xué)建起了專用于地外文明搜索的射電天線，這可能是最早的地外文明資助項目。1971年，美國宇航局也加入到對地外文明監(jiān)聽的資助行列中來。

從1980年起，相關(guān)的研究者開始獲得相對穩(wěn)定的資助。1971年，甚至有研究者提出了“獨(dú)眼巨人”計劃，建設(shè)1000面100米口徑組成的巨大射電望遠(yuǎn)鏡陣列，專門進(jìn)行地外文明射電信號的搜索，總預(yù)算高達(dá)100億美元。然而，這樣宏大的設(shè)想很難得到資金支持，而地外文明的搜索也一直沒有取得突破性的進(jìn)展。直白點(diǎn)兒說，就是一伙外星人都沒有找到。

上世紀(jì)90年代初，美國宇航局每年撥給有關(guān)研究的經(jīng)費(fèi)曾經(jīng)一度高達(dá)每年1000多萬美元。但遲遲看不到成果后，這些資助在1994年戛然而止。

之后，用來尋找地外文明的射電天文觀測幾乎得不到來自公共領(lǐng)域的資助。不過，好在不少對地外文明存在濃厚興趣的“土豪”們慷慨解囊，支撐了上世紀(jì)90年代到現(xiàn)在的不少觀測計劃。微軟的聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·艾倫和英特爾公司創(chuàng)始人高登·摩爾各支持了使用包括阿雷西博望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)等大型射電望遠(yuǎn)鏡的“鳳凰計劃”。

▲ “旅行者號”搭載的金唱盤

從1994年到2004年，該計劃在1.2～3GHz頻段內(nèi)對大約250光年內(nèi)的800多顆恒星進(jìn)行了窄帶觀測，但其探測到的數(shù)百萬個“信號”都被認(rèn)證為源自地球的干擾信號。2015年，物理學(xué)家出身的俄羅斯企業(yè)家尤里·米爾納發(fā)起“突破倡議”，承諾出資1億美元，推動包括“突破聆聽”計劃在內(nèi)的多個與地外生命探索相關(guān)的研究計劃。在這些計劃的開展中，天文學(xué)家們也“精明”地不再謀求建設(shè)專用的大型射電望遠(yuǎn)鏡，而是通過與其他研究分享望遠(yuǎn)鏡觀測時間的方式，來獲得觀測機(jī)會。

尋找地外行星

除了使用射電望遠(yuǎn)鏡聆聽太空中的信號外，人們還在沿著另一條道路搜尋地外文明的存在。我們目前能認(rèn)識到的智慧生物，必然無法在恒星上生存，因此發(fā)現(xiàn)太陽系以外的行星是找到他們存在的第一步。雖然人們對系外行星的猜想早就存在，但到了1995年，人們才發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星。2011年，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的升空使系外行星的發(fā)現(xiàn)迎來了大爆發(fā)。

當(dāng)一顆行星恰好處于它所圍繞的恒星和地球之間時，我們從地球上觀察到的恒星亮度就會因?yàn)樾行堑恼趽醵l(fā)生微小的降低。一旦行星因?yàn)楣D(zhuǎn)而離開恒星與地球之間的位置，我們觀察到的恒星亮度則又會恢復(fù)到平常的水平。通過觀測恒星這樣的亮度變化，就可以確定恒星周圍是否有潛在的行星，這是凌日法探測系外行星的基本原理。開普勒空間望遠(yuǎn)鏡擁有由42塊CCD感光元件組成的巨大CCD陣列。在整個任務(wù)期間，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天鵝座所在的天區(qū)，連續(xù)記錄了銀河系中心附近的15萬顆恒星的亮度，供科學(xué)家們尋找系外行星存在的蛛絲馬跡。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡總共確定了2300顆系外行星的存在，還將4500個天體列入了潛在的系外行星范疇。隨著開普勒空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的分析和獲取，天文學(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)太空中幾乎到處都有行星存在。在太陽系中，不存在個頭介于地球和海王星之間的行星，但在其他恒星周邊這樣的行星卻有不少。這表明，宇宙實(shí)際上是個行星的大寶庫。在這些行星中，最有可能孕育生命的是處于宜居帶中的行星。這些行星與恒星的距離，可以允許液態(tài)水的存在，為與我們類似的生命的存在提供了基本條件。

▲ 水洞的頻段

▲ “先驅(qū)者號”上面的人類信息板

2011年12月5日，天文學(xué)家利用開普勒空間望遠(yuǎn)鏡，首次發(fā)現(xiàn)了一顆距離地球約600光年的宜居帶系外行星開普勒-22b。這顆行星的表面溫度約為21-22攝氏度，公轉(zhuǎn)一周的周期大概290天，與地球相似度極高。

近年來，我們時常會在新聞中看到“超級地球”發(fā)現(xiàn)的消息。實(shí)際上，這些消息報道的僅僅是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了又一顆某些方面與地球類似的系外行星，并不意味著那里的情況和地球全面相似。實(shí)際上，有液態(tài)水存在僅僅是孕育生命所必須的諸多條件中的一個，我們尚未能完全證認(rèn)某顆系外行星完完全全適合生命存在。

▲ 在各類科幻作品中，人們幻想了許多地外智慧生物的模樣。不過對于他們真正的形態(tài)，人類目前仍然一無所知

主動發(fā)射探測器

尋找地外文明的另一個途徑，是主動發(fā)射探測器，帶去關(guān)于地球的訊息。

在上世紀(jì)70年代，美國相繼發(fā)射了“先驅(qū)者10號”“先驅(qū)者11號”“旅行者1號”“旅行者2號”4個探測器。這4個探測器在完成各自對于太陽系外行星的探索之后，都繼續(xù)飛向了太陽系以外。雖然在茫茫太空中與地外文明相會的機(jī)會十分微小，但設(shè)計它們的天文學(xué)家和工程師們還是為這種接觸做了準(zhǔn)備。在“先驅(qū)者10號”和“先驅(qū)者11號”上，一個鋁合金板被附加到探測器上，以提示捕獲這艘探測器的地外文明，這艘探測器來自何處。

在宇宙中，存在著一種被命名為脈沖星的天體。這種天體最大的特征是能夠向外發(fā)射周期十分穩(wěn)定的信號。在“先驅(qū)者10號”和11號所攜帶的鋁合金板上，標(biāo)識了14顆脈沖星，以及太陽與他們的相對位置。這些脈沖星的輻射頻率都是獨(dú)特的。如果捕獲這個探測器的文明與我們具備同樣的科技水平，他們就能從已經(jīng)觀測到的脈沖星中數(shù)據(jù)中確定這些脈沖星到底是哪幾顆，進(jìn)而確定太陽系的位置。鋁合金板底部的示意圖進(jìn)一步說明了這個探測器來自于太陽附近的第三顆行星，也就是我們的地球?！奥眯姓?號”和“旅行者2號”的金唱盤內(nèi)存入了更加豐富的信息，但標(biāo)示地球位置用的是同一種方式。

▲ 浩翰無垠的星空

目前，地球上通用時間單位“秒”和長度單位“米”，都是通過全世界共同制定并遵守的標(biāo)準(zhǔn)來確定的。顯然，不能用人類自己規(guī)定的單位來向外星人描述，科學(xué)家們再次想到了用自然現(xiàn)象來傳遞單位信息。他們在圓盤上用簡圖標(biāo)識了氫原子內(nèi)自旋躍遷的圖像。按照我們目前對宇宙的認(rèn)識，氫是宇宙中存在最廣泛的物質(zhì)，其原子結(jié)構(gòu)也最簡單。在圖像下方，有一條短的直線，用以表示二進(jìn)制里的“1”。這個躍遷的周期為0.704納秒，發(fā)出的電磁波波長為21.106厘米。在標(biāo)示脈沖星的周期和與地球的距離時，氫原子自旋躍遷的這兩個特征量被用作了時間和長度的單位。以我們目前對物質(zhì)世界的認(rèn)識，外星人所觀察到的氫原子自旋躍遷現(xiàn)象應(yīng)該有著一樣的特征，而二進(jìn)制又是一種容易理解的數(shù)學(xué)表達(dá)。他們的科技水平如果與我們相當(dāng)，應(yīng)該能夠明白我們所要傳遞的信息?！?/p>