新技術(shù)助力尋找外星文明

劉聲遠(yuǎn)

雖然60年來并未接收到確切的外星無線電信號，但科學(xué)家在尋找外星智慧生命方面沒有停步。

在1960年4月中的大約一周時間里，美國射電天文學(xué)家德雷克認(rèn)為自己可能發(fā)現(xiàn)了外星人。這一年的4月8日，他把美國國家射電天文臺新的26米直徑望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)一顆恒星——天苑四。幾分鐘后，這部望遠(yuǎn)鏡的讀數(shù)裝置（一種用筆把接收到的信號特征繪在紙上的儀器）瘋狂繪圖，與望遠(yuǎn)鏡相連的一只揚(yáng)聲器響起一連串強(qiáng)烈脈沖音，正如德雷克設(shè)想的外星文明信號。他驚呆了：尋找外星人真的這么容易？

答案是否定的。幾天后，當(dāng)這部望遠(yuǎn)鏡再次接收到同樣的信號時，一部指向不同方向的無線電天線也收到了這一信號。最終發(fā)現(xiàn)，該信號并非來自外星，而是來自地球上的一個來源，例如—架飛機(jī)。

當(dāng)時，在兩個月時間里，德雷克不僅觀測了天苑四，還用另一部望遠(yuǎn)鏡觀測了另一顆恒星——天倉五，但他在尋找地外文明（也稱外星文明）方面沒有任何成效。盡管如此，他在這方面的嘗試卻引來了越來越多的跟風(fēng)者。雖然后來科學(xué)家對外星文明的找尋一度退潮，但一系列天文學(xué)新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)讓人們在這方面的興趣再次被提起。越來越大、越來越好的望遠(yuǎn)鏡正在望向更遠(yuǎn)的太空，在比原來寬得多的頻段對越來越多的恒星進(jìn)行探測。復(fù)雜、先進(jìn)的計(jì)算工具，正在審視通過這些探測得到的數(shù)據(jù)包。全球各地天文臺正在參與一個投資巨大、規(guī)模最大的尋找外星文明項(xiàng)目——“突破聆聽”。為此，這些天文臺定期進(jìn)行這方面的觀測。

天空之眼

過去幾十年中，尋找外星人的步伐大大減緩。例如，美國政府在這方面的資助在1993年突然中止，其理由是“尋找外星人已不再是正規(guī)科學(xué)探索，已經(jīng)邊緣化”。

但隨著科學(xué)家對宇宙演化的認(rèn)識不斷深入，尋找外星人這個概念也在變化。德雷克當(dāng)年進(jìn)行這方面觀測時，科學(xué)家并未把目光投向環(huán)繞除了太陽之外的其他任何恒星的行星。而就在過去十年中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了好幾千顆系外行星（太陽系之外的行星）。對至少一部分科學(xué)家來說，這意味著存在地外生命（也稱外星生命或外星人）的可能性幾乎達(dá)到100%。

2020年2月，“突破聆聽”發(fā)布了有關(guān)尋找外星文明的迄今最大觀測數(shù)據(jù)包供科學(xué)家分析。在這個由全球多個天文臺聯(lián)合提供的數(shù)據(jù)包中，包含對來自銀河系圓盤和銀河系核心超大質(zhì)量黑洞周圍區(qū)域射電信號的調(diào)查數(shù)據(jù)。

科學(xué)家認(rèn)為，要想找到外星文明，星系中心很重要，因?yàn)槟承┏壈l(fā)達(dá)的外星人可能會在星系中心附近建造由超大質(zhì)量黑洞充電的超強(qiáng)無線電發(fā)射器。但為了找到無線電設(shè)備和我們的設(shè)備相當(dāng)、不那么超級發(fā)達(dá)的外星人，一些科學(xué)家探測的是附近的恒星系統(tǒng)，例如太陽的20個同類伙伴（類太陽恒星）。所有這些恒星相對于地球的位置，都能讓在恒星周圍的行星或衛(wèi)星上可能存在的外星人看見環(huán)繞太陽的地球，因而可能會向地球發(fā)送信息。雖然這些科學(xué)家最終都空手而歸，但只能說明他們所找尋的這些為數(shù)不多的恒星周圍可能不存在外星文明。銀河系非常大，其中可能存在外星人的地方也很多，因此，如果不把銀河系中每顆恒星周圍都找遍，就不能斷言銀河系中不存在外星人。

未來幾年中，“突破聆聽”將開始探測銀河系中的其他很多地方。例如，位于南非的一個望遠(yuǎn)鏡陣列已準(zhǔn)備好調(diào)查太陽附近的100萬顆恒星。

建造更好的過濾器

對于望遠(yuǎn)鏡帶來的超大量探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家必須進(jìn)行分析和過濾，對同樣的數(shù)據(jù)還需要多次分析。幸運(yùn)的是，新的計(jì)算機(jī)算法能夠重新分析過去的觀測數(shù)據(jù)，尋找之前被忽略的信號。事實(shí)上，在射電天文學(xué)中，最有趣的那些發(fā)現(xiàn)經(jīng)常來自對數(shù)據(jù)的第二次甚至第三次分析，而非第一次分析。例如，首次發(fā)現(xiàn)來自遙遠(yuǎn)星系、被稱為快速射電暴的無線電波短暫強(qiáng)閃，就是通過對舊的望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析得到的。

對于尋找外星人來說，一個持久的挑戰(zhàn)是必須研發(fā)能把潛在的外星人信號與地面無線電干擾信號區(qū)分開的技術(shù)。事實(shí)上，科學(xué)家要尋找的外星人信號可能與人造電氣設(shè)備發(fā)射的無線電信號相似。這類信號與自然源頭（例如恒星或星系）發(fā)射的無線電信號明顯有別：來自自然源頭的無線電信號會隨時間推移逐漸改變，而可能的外星人信號和人造電氣設(shè)備信號卻不會?？赡軄碜陨羁胀庑侨说臒o線電信號與來自手機(jī)或人造衛(wèi)星的無線電信號很相似，那么科學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)是怎樣才能把兩者區(qū)分開。

方法之一是先把望遠(yuǎn)鏡指向—個目標(biāo)（例如一顆恒星），然后再指向別處。但望遠(yuǎn)鏡從這兩個方向接收到的信號，都可能是人造無線電干擾信號。常規(guī)計(jì)算機(jī)算法通過比較在每次觀測中探查到的信號能量水平的不同。來分析來自兩個方向的信號差異。但如果來自遙遠(yuǎn)處的外星人信號微弱，被地球天空信號覆蓋，這種算法就可能區(qū)分不了從兩個方向來的信號，而是把它們都視為地球信號。

一些科學(xué)家希望，在區(qū)分這兩個方向信號的微妙差異方面，人工智能能優(yōu)于死板的能量探測算法。為此科學(xué)家先向一個機(jī)器人出示來自一部望遠(yuǎn)鏡的數(shù)千次恒星觀測信號，讓它學(xué)會區(qū)分觀測信號和人工技術(shù)干擾信號。這樣一來，機(jī)器人就學(xué)會了識別混入恒星觀測信號中的人造噪聲信號。如果機(jī)器人發(fā)現(xiàn)疑似來自恒星的無線電信號，科學(xué)家就會調(diào)查信號的源頭。

尋找激光

尋找外星人的科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)是無線電波，但無線電波并不是發(fā)送星際信息的唯一方式。外星人也有可能在納米激光脈沖當(dāng)中編碼信息。雖然早在1961年激光就被認(rèn)為是潛在的星際通信工具，但科學(xué)家在尋找外星人時大多遵循德雷克的方法——尋找無線電信號，其中一部分原因是無線電波為低能量，星際郵件采用無線電波來打包的成本較低。

但如果把可見光聚焦成一條窄窄的激光束，那么可見光也可能成為一種星際通信手段。當(dāng)一大堆光子一次性擊中望遠(yuǎn)鏡，而不像來自背景星光的光子那樣如滑涓細(xì)流持續(xù)、穩(wěn)定地?fù)糁型h(yuǎn)鏡，就可能探測到快速激光閃耀。納米激光脈沖的亮度遠(yuǎn)超周圍的恒星。目前沒有任何已知的天體物理源頭能產(chǎn)生納米激光信號，而通過可見光尋找外星人的技術(shù)也處在非常初級的階段。但綜合運(yùn)用可見光和無線電信號，能提升科學(xué)家尋找外星人的能力。

“泛尋”團(tuán)隊(duì)

2019年7月，位于美國亞利桑那州弗雷德·勞倫斯·惠普爾天文臺的“真相”望遠(yuǎn)鏡陣列加入“突破聆聽”。該陣列的建造目的，是探測由天體物理伽馬射線擊中地球大氣層而產(chǎn)生的切倫科夫藍(lán)光的短暫閃耀。不過，該陣列配備的快速相機(jī)也很適合尋找外星人的激光束。

“真相”團(tuán)隊(duì)不僅對恒星進(jìn)行新的可見光觀測，而且對該陣列過往探測數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析。其中一些再分析已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)果，但卻令一些人失望。例如，根據(jù)2016年的一份科學(xué)報(bào)告，對“真相”陣列2009～2015年對塔比星的總共9小時觀測數(shù)據(jù)的再分析沒有發(fā)現(xiàn)外星人的激光信號。一些科學(xué)家對此感到失望或不認(rèn)同，因?yàn)樗麄兺茰y這顆恒星周圍有外星人建造的超巨大建筑環(huán)繞。他們的理由是：塔比星有奇怪的周期性變暗現(xiàn)象，而這種變暗可能是因?yàn)槌薮蠼ㄖ\(yùn)行到塔比星正前方，從而擋住了塔比星的部分星光，因此從地球上的觀測角度看去這顆恒星就變暗了。

科學(xué)家希望，憑借新觀測設(shè)備能大大提升通過可見光尋找外星人的能力。之前在這方面的找尋（包括“真相”陣列的觀測）都是一次只觀測一顆恒星幾分鐘。一個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種新藍(lán)圖：讓4個天文臺致力于持續(xù)搜索來自整個可觀測天空的外星人激光信號。2018年，這個被稱為“泛尋”的設(shè)計(jì)首次公布。按照這一設(shè)計(jì)，其中每個天文臺的圓頂上都有88個光學(xué)和近紅外探測器鏡頭，位于北半球的兩個天文臺負(fù)責(zé)觀測北部天空，位于南半球的兩個天文臺負(fù)責(zé)觀測南部天空。在尋找外星人的嘗試方面，對潛在探測信號的雙向檢驗(yàn)非常重要。因此，不管是在北半球還是在南半球，兩部望遠(yuǎn)鏡還會持續(xù)觀測天空中相同的區(qū)域，由此排除地球光學(xué)污染信號。這與兩對相距遙遠(yuǎn)的LIGO探測器聯(lián)袂找尋被稱為“引力波的宇宙漣漪”的原理相同。