“天眼”：外星文明“回信”的郵箱

Freelee

科幻片中提到地球人發(fā)現(xiàn)外星文明時，總會出現(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。“大鍋”的標(biāo)準(zhǔn)名稱叫“射電望遠鏡”。天文學(xué)家用射電望遠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，實際上是天體發(fā)出的光?？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。

卡爾·央斯基的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56分鐘就會達到高峰。這個時間間隔，剛好是地球的恒星日的長度——即地球相對于宇宙的自轉(zhuǎn)時間。所以央斯基懷疑，信號來自銀河系中心。

因為貝爾公司沒有天文研究的需求，央斯基未能采用更高配置的設(shè)備進一步觀察外太空信號。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9米直徑的拋物面碟形無線電望遠鏡。第一臺用于天文觀察的射電望遠鏡誕生，射電天文學(xué)這一天文學(xué)分支也迎來起點。

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，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。

20世紀(jì)60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分子。這都是在射電望遠鏡支持下的發(fā)現(xiàn)。其中，宇宙微波背景輻射對大眾來說最為熟悉。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，宇宙起源于一個奇點的急劇擴張，在擴張過程中，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)，對大爆炸過程進行了更細致的猜想。其中一個猜想是，現(xiàn)在的宇宙沐浴于早期高溫宇宙的殘留輻射中。

用光學(xué)望遠鏡來看，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”從起初對宇宙起源的一種可能解釋，變成現(xiàn)時唯一一套支持當(dāng)前觀察成果和數(shù)據(jù)的理論。

從“做大”到“布陣”

射電望遠鏡的貢獻巨大，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。

天文望遠鏡的觀察能力，由望遠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為納米級別，所以光學(xué)望遠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鏡的口徑是光學(xué)望遠鏡的幾百倍，前者觀察內(nèi)容的清晰度也與后者差距甚遠。

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鏡，通過架設(shè)射電望遠鏡陣列，大大提高了射電望遠鏡的分辨率。

從射電天文學(xué)發(fā)展的角度來看，把一臺單口徑射電望遠鏡做大，以及打造射電望遠鏡陣列，是并行不悖的兩條研究道路。單口徑望遠鏡的優(yōu)點在于單刀直入，減少信號被噪音干擾的可能，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)點則在于觀察分辨率高，同等口徑下成本低于單口徑望遠鏡，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鏡，后期處理數(shù)據(jù)比較花功夫。

單口徑望遠鏡和陣列有不同的使用側(cè)重點。對于一些微弱的信號，單口徑望遠鏡捕捉效果更好，能避免信號被噪音淹沒。而如果要對較強的信號進行精細觀察，陣列是更好的選擇。

《超時空接觸》封面那些搶眼的射電望遠鏡，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36公里，是目前世界上最大的綜合口徑射電望遠鏡。

更有野心的陣列規(guī)劃是“平方公里陣”（SKA）。SKA由全球十多個國家計劃合資建造（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宇宙信號的接收面積，總計達1平方公里。這樣SKA將擁有史上最高的射電望遠鏡圖像分辨率，靈敏度也是任何現(xiàn)存射電望遠鏡的50倍以上。

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

單口徑望遠鏡方面，美國也曾是領(lǐng)先者。位于波多黎各島的阿雷西博望遠鏡，坐落于一個火山口，建成于1934年，口徑305米，后擴建為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)基金會遂宣布其退役，并計劃將其拆除。

建于中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），2016年取代了阿雷西博的最大單口徑望遠鏡之地位。FAST在2020年1月通過國家驗收，正式投入運行，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，其還有望在短時期內(nèi)實現(xiàn)納赫茲的引力波探測，捕捉宇宙大爆炸時期的原初引力波。

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？”始終是一個既浪漫又嚴(yán)肅的提問。射電望遠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)時期就已經(jīng)認(rèn)為，正如地球人的雷達、廣播、電視等技術(shù)會將無線電波發(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，而他的主要工具，是美國國家射電天文臺的第一臺射電望遠鏡：塔特爾望遠鏡。

塔特爾望遠鏡將目標(biāo)對準(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改造的主導(dǎo)人。1974年，阿雷西博完成第一次重大升級后，德雷克的SETI工作再邁出重要一步：他編制了一條帶有1679個二進制數(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，其中暗藏了十進制計數(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)會更快來到。

即使外星文明在2021年就發(fā)出“回信”，屆時阿雷西博這個“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，能排除天體信號和地球人工信號的干擾，針對性地收集窄帶候選信號。那些外星文明的微弱線索，可能就藏在其中。

（岐岐摘自《看世界》2021年第1期）