“天眼”：外星文明“回信”的郵箱

freelee

位于美國新墨西哥州沙漠的“甚大天線陣”（VLA）

科幻片中提到地球人發(fā)現(xiàn)外星文明時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)一件經(jīng)典“道具”：擁有“大鍋”一般的碟片（碟片中央伸出長長天線）的大型建筑物。從1996年驚悚風(fēng)格的《天襲》，到1997年的經(jīng)典之作《超時(shí)空接觸》，再到2019年的低成本影片《宏觀世界》，都找得到“大鍋”的巍然模樣。

“大鍋”的標(biāo)準(zhǔn)名稱叫“射電望遠(yuǎn)鏡”。天文學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡收獲了大量寶貴的天文發(fā)現(xiàn)，但文藝作品將它和外星人扯上關(guān)系，也并非信口雌黃。尋找地外文明痕跡，同樣是射電望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)。

宇宙背景輝光支持“大爆炸說”

天文學(xué)起源于觀星。我們抬頭看到的星星，實(shí)際上是天體發(fā)出的光傳播到地球上?？紤]到光本身是一種電磁波，既然天體能發(fā)光，理論上能發(fā)出其他不同波長的電磁波。早在20世紀(jì)初，大名鼎鼎的愛迪生、普朗克都曾主張，太陽能發(fā)射無線電波。

基于這一理論，科學(xué)家相信，除了通過可見光觀察天體外，無線電波也是一種手段。1931年，美國貝爾電話公司的工程師卡爾·央斯基，偶然發(fā)現(xiàn)了來自太空的無線電波。他的基本工作，是利用巨大的定向天線，研究越洋無線電話受干擾的情況。

其間有一種雜音，每隔23小時(shí)56分鐘就會(huì)達(dá)到高峰。這個(gè)時(shí)間間隔，剛好是地球的恒星日的長度—即地球相對(duì)于宇宙的自轉(zhuǎn)時(shí)間。所以央斯基懷疑，信號(hào)來自銀河系中心。

因?yàn)樨悹柟緵]有天文研究的需求，央斯基未能采用更高配置的設(shè)備進(jìn)一步觀察外太空信號(hào)。不過，這一發(fā)現(xiàn)確定了天文觀察的新方向。1937年，無線電工程師格羅特·雷伯架設(shè)了一臺(tái)9米直徑的拋物面碟形無線電望遠(yuǎn)鏡。第一臺(tái)用于天文觀察的射電望遠(yuǎn)鏡誕生，射電天文學(xué)這一天文學(xué)分支也迎來起點(diǎn)。

射電天文學(xué)將天文學(xué)的發(fā)展推向新的高度。從電磁波譜來看，可見光的波長范圍很窄，大概在360～860納米。而無線電波波長覆蓋從幾厘米到數(shù)百米的范圍。范圍越大，內(nèi)容越多。通過可見光觀察星體，顯然觀察范圍十分有限。而無線電波中隱藏的天文秘密，要豐富得多。

1960年代，天文學(xué)界收獲極其重要的四大發(fā)現(xiàn)，分別為脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子。這都是在射電望遠(yuǎn)鏡支持下的發(fā)現(xiàn)。其中，宇宙微波背景輻射對(duì)大眾來說最為熟悉。在通俗科學(xué)介紹中，它一般以“大爆炸說”的形式來呈現(xiàn)。

天文學(xué)界認(rèn)為，宇宙起源于一個(gè)奇點(diǎn)的急劇擴(kuò)張，在擴(kuò)張過程中，宇宙從均勻、高熱的狀態(tài)，持續(xù)稀釋、降溫。1948年，美國物理學(xué)家伽莫夫提出“熱大爆炸”假設(shè)，對(duì)大爆炸過程進(jìn)行了更細(xì)致猜想。其中一個(gè)猜想是，現(xiàn)在的宇宙沐浴于早期高溫宇宙的殘留輻射中。

阿雷西博退役后，F(xiàn)AST成為“獨(dú)眼”，其意義更加重大。

用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來看，天體之間的空間一片漆黑，看不到殘留輻射的痕跡。但1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜用射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了漆黑之下微弱的背景輝光。宇宙微波背景輻射的廬山真面目首次被揭開，伽莫夫的“熱大爆炸”假說也由此被印證?！按蟊ㄕf”從起初對(duì)宇宙起源的一種可能解釋，變成現(xiàn)時(shí)唯一一套支持當(dāng)前觀察成果和數(shù)據(jù)的理論。

從“做大”到“布陣”

射電望遠(yuǎn)鏡的貢獻(xiàn)巨大，但無線電波波長過長，卻在早期阻礙了射電天文學(xué)發(fā)展。

天文望遠(yuǎn)鏡的觀察能力，由望遠(yuǎn)鏡的口徑和觀察的波長來決定。口徑越大、波長越短，觀察的分辨率越高?？梢姽獠ㄩL為納米級(jí)別，所以光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用較小口徑就能得到較高分辨率的內(nèi)容。而無線電波波長最少是可見光的幾萬倍，這意味著即使射電望遠(yuǎn)鏡的口徑是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的幾百倍，前者觀察內(nèi)容的清晰度也與后者差距甚遠(yuǎn)。

1962年，英國物理學(xué)家馬丁·賴爾利用干涉原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，通過架設(shè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列，大大提高了射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。

從射電天文學(xué)發(fā)展的角度來看，把一臺(tái)單口徑射電望遠(yuǎn)鏡做大，以及打造射電望遠(yuǎn)鏡陣列，是并行不悖的兩條研究道路。單口徑望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)在于單刀直入，減少信號(hào)被噪音干擾的可能，后期數(shù)據(jù)處理更加方便。但單口徑的觀察分辨率受限，而且口徑越大，成本越高。

陣列的優(yōu)點(diǎn)則在于觀察分辨率高，同等口徑下成本低于單口徑望遠(yuǎn)鏡，而且可以通過控制干涉方式，自定義觀察分辨率和觀察頻率。不過，陣列收到噪音的概率高于單口徑望遠(yuǎn)鏡，后期處理數(shù)據(jù)比較花功夫。

單口徑望遠(yuǎn)鏡和陣列有不同的使用側(cè)重點(diǎn)。對(duì)于一些微弱的信號(hào)，單口徑望遠(yuǎn)鏡捕捉效果更好，能避免信號(hào)被噪音淹沒。而如果要對(duì)較強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)行精細(xì)觀察，陣列是更好的選擇。

《超時(shí)空接觸》封面那些搶眼的射電望遠(yuǎn)鏡，正是著名的“甚大天線陣”（VLA）。VLA位于美國新墨西哥州沙漠中。27面直徑25米的天線，按“Y”字形排列，架設(shè)在鐵軌上，組合起來的最長基線達(dá)36公里，是目前世界上最大的綜合口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

假如M13存在文明，他們的“回信”最快要5萬年后才能返回地球。

球狀星團(tuán)M13

更有野心的陣列規(guī)劃是“平方公里陣”（SKA）。SKA由全球十多個(gè)國家計(jì)劃合資建造（中國是發(fā)起國之一），由位于澳大利亞西部的低頻陣列和位于南非的中頻陣列兩部分組成?！捌椒焦铩钡拿?，來自全部反射鏡面對(duì)宇宙信號(hào)的接收面積，總計(jì)達(dá)1平方公里。這樣SKA將擁有史上最高的射電望遠(yuǎn)鏡圖像分辨率，靈敏度也是任何現(xiàn)存射電望遠(yuǎn)鏡的50倍以上。

由于計(jì)劃規(guī)模巨大，涉及多國合作，原定2010年建造、2020年落成的SKA，目前最新時(shí)間表是2021年才動(dòng)工。

單口徑望遠(yuǎn)鏡方面，美國也曾是領(lǐng)先者。位于波多黎各島的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，坐落于一個(gè)火山口，建成于1934年，口徑305米，后擴(kuò)建為350米。遺憾的是，阿雷西博在2020年先后遭遇輔助鋼纜斷裂砸破反射盤、主承重鋼纜斷裂等意外。美國國家科學(xué)基金會(huì)遂宣布其退役，并計(jì)劃將其拆除。

建于中國貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），2016年取代了阿雷西博的最大單口徑望遠(yuǎn)鏡之地位。FAST在2020年1月通過國家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行，與阿雷西博并稱地球兩大“天眼”。阿雷西博退役后，F(xiàn)AST成為“獨(dú)眼”，其意義更加重大。

5萬年后的回信

“天眼”問天，成績斐然。自啟用以來，單是脈沖星，F(xiàn)AST就發(fā)現(xiàn)了超過240顆。此外，其還有望在短時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)納赫茲的引力波探測，捕捉宇宙大爆炸時(shí)期的原初引力波。

阿雷西博退役，天文界損失了一件重要的觀察工具。而FAST以全球一起探索宇宙的奧秘、構(gòu)建人類命運(yùn)共同體為愿景，將向全球科學(xué)家開放使用權(quán)限。這有助于保證即使美國“天眼”閉上，全人類的宇宙探索事業(yè)也不會(huì)被耽誤。

在人類探索宇宙的過程中，“我們是唯一的嗎？”始終是一個(gè)既浪漫又嚴(yán)肅的提問。射電望遠(yuǎn)鏡也一直是被寄予厚望的解謎工具。

美國天文學(xué)家弗蘭克·德雷克開創(chuàng)了用嚴(yán)肅手段搜索外星文明的先河。他在求學(xué)時(shí)期就已經(jīng)認(rèn)為，正如地球人的雷達(dá)、廣播、電視等技術(shù)會(huì)將無線電波發(fā)射到太空，假如宇宙其他地方擁有一定的文明程度，也會(huì)留下使用無線電的痕跡。

德雷克在1960年首次嘗試尋找外星文明信號(hào)，而他的主要工具，是美國國家射電天文臺(tái)的第一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡：塔特爾望遠(yuǎn)鏡。

建于中國貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），2016年取代了阿雷西博的最大單口徑望遠(yuǎn)鏡之地位

塔特爾望遠(yuǎn)鏡將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)波江座ε星（天苑四）和鯨魚座τ星（天倉五），雖然沒有任何收獲，但這不影響搜索計(jì)劃的全面鋪開。日后，天文學(xué)界這種類似的努力被稱為“SETI”—即“搜索外星生命”的英文詞組的首字母縮寫。

德雷克后來成為阿雷西博升級(jí)改造的主導(dǎo)人。1974年，阿雷西博完成第一次重大升級(jí)后，德雷克的SETI工作再邁出重要一步：他編制了一條帶有1679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字的無線電信息，按照特定情況排列后，它將顯示出一張圖片，其中暗藏了十進(jìn)制計(jì)數(shù)法、人類DNA構(gòu)造、太陽系情況等內(nèi)容。

這條“阿雷西博信息”指向距離地球2.5萬光年的球狀星團(tuán)M13。假如M13存在文明，他們的“回信”最快要5萬年后才能返回地球。但假如沿途還有其他文明，也許他們的回復(fù)會(huì)更快來到。

即使外星文明在2021年就發(fā)出“回信”，屆時(shí)阿雷西博這個(gè)“郵箱”也已經(jīng)不在了。幸好FAST能替代起接受反饋的使命。FAST望遠(yuǎn)鏡安裝了專門用于地外文明搜索的后端設(shè)備，能排除天體信號(hào)和地球人工信號(hào)的干擾，針對(duì)性地收集窄帶候選信號(hào)。那些外星文明的微弱線索，可能就藏在其中。

上述這些嚴(yán)肅的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在文藝作品中以更戲劇化的形式呈現(xiàn)?！短煲u》中，主角用鄰居接受電視信號(hào)用的小天線，架起了一套接收陣列，大抵上說明了綜合口徑射電望遠(yuǎn)鏡的原理;《超時(shí)空接觸》中，主角收到了以質(zhì)數(shù)方式發(fā)送的奇怪信號(hào)，這是致敬“阿雷西博信息”必須用兩個(gè)質(zhì)數(shù)73和23排列才能正確顯示信息;《宏觀世界》干脆直接演繹外星人發(fā)送了同樣用二進(jìn)制表達(dá)、同樣內(nèi)容編排的信息，來回復(fù)“阿雷西博信息”。

隨著FAST成為全球唯一“天眼”，也許未來與外星文明交流的故事，會(huì)出現(xiàn)更多的中國元素。但更奇妙的也許是，未來，F(xiàn)AST“天眼”將讓人類第一次看到外星智慧的真實(shí)存在。