如何寻找外星人

  人类是不是宇宙中唯一的智慧生命？究竟有没有外星人？怎么找到外星人？日前，北京师范大学高鹤教授带领的研究团队进行了一项模拟研究，结果表明：即便在最乐观情况下，人类最少要2000年才能够接收到一次外星人发来的信号；悲观情况下，最少需要40万年才能接收到一次信号。我们把地球以外的智慧生命统称为外星人（Extraterrestrial Intelligence，简称ET）。1950年，来自意大利的诺贝尔奖获得者、物理学家Enrico Fermi在一次非正式会议中提出：“如果真的存在外星文明，那么他们在哪里呢？为何至今没有证据显示他们来访过地球？”这就是著名的费米悖论——如果外星人真的存在，我们为何从未接收到外星人的信号？要想科学地寻找外星人，必须从天文学出发。随着19世纪电磁辐射的发现及20世纪天文射电望远镜的发明和发展，使得地外文明搜寻计划逐渐具备科学性，成为天文学中的一个重要领域。

寻找外星人，这是一项严肃的科学研究

  随着地球上无线电波的广泛应用，人们开始猜测，也许外星人也拥有无线电技术，并向宇宙中发射广播信号，那么就可以通过捕捉外星人发出的无线电信号来证明他们的存在。

  1959年，Phillip Morrison和Giuseppe Cocconi两位天文学家设计了一个思想实验，即把世界上最强大的雷达发射器对准一个巨大的接收天线，计算发射器和接收器建立无线电连接的最远距离。结果表明，即使发射器和接收器相距光年（光在真空中传播一年的距离），也能接收无线电信号。这一结果促使两位科学家在《自然》杂志发表了一篇论文，探讨外星人无线电通信的问题——既然捕捉信号可行，应该捕捉什么频率的信号呢？Cocconi和Morrison提出在无线电频段一个具有普遍性的独特频率是1.42GHz，即21cm中性氢，其在宇宙中广泛存在；另一个频段是1400MHz-1700MHz（OH）。由于氢和羟基结合会形成水，所以其辐射发射的频率被称为“水洞”。他们认为，因为这些频率与地球上的生命有所联系，因此有理由在这些频率附近搜索外星人。

  1960年，Frank Drake进行了第一个关于地外文明搜寻计划（Search for Extra-Terrestrial Intelligence，SETI）的无线电观测，称为奥兹玛项目。研究者使用美国西弗吉尼亚州国家射电天文台的26米塔特尔射电望远镜，搜寻了距离我们分别为10.2光年和11.9光年的天卫二和天卫五两颗类太阳恒星氢频率附近的无线电信号。然而一无所获。

  此后，美国、苏联、澳大利亚、加拿大、法国、荷兰、英国等国家以不同的频率进行了超过60次搜索，累计搜索时间超过20万个小时。

  美国国家航空航天局(NASA)的科学家于1992年利用射电望远镜搜寻外星信号，搜寻工作主要由两个团队开展。其中一个团队在艾姆斯研究中心采用“目标搜寻”技术在1GHz-3GHz频段检测距离地球80光年处的约800颗类太阳恒星，而另一个团队则使用位于美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠的戈德斯通望远镜群中的34米射电望远镜进行“全天巡天搜寻”。遗憾的是，一年后由于资金不足，全天搜寻项目终止，而“目标搜寻”改名为“凤凰计划”于1995年重新开启，并使用位于澳大利亚新南威尔士州口径为64米的帕克斯射电望远镜进行观测。1998年，阿雷西博射电望远镜参与到“凤凰计划”的搜寻中，它是当时世界上最大的单面口径的射电望远镜，其直径达到305米。“凤凰计划”在其工作的近10年期间观测了距离地球200光年的约800个恒星系统，频率覆盖范围为1200-3000MHz，是无线电搜寻地外文明计划中搜寻范围最广的之一。

  由于制造大量小天线比制造一个特大天线成本更低，且天线阵列能够在给定的时间内观测更多目标，在微软联合创始人Paul Allen的资金支持下，建造了第一个专门用于SETI观测的射电望远镜——艾伦望远镜阵列。艾伦望远镜阵列由42个碟形天线组成，可以同时收听7200万个1Hz的无线电频道。艾伦望远镜阵列使得SETI的搜索速度提高了至少100倍，成为SETI发展中至关重要的一步。此后，20世纪90年代世界各国陆续开展了很多关于SETI的观测项目。

  值得一提的是，Frank Drake在绿岸天文台一次讨论地外智慧生命的会议上提出可以用一个方程来估算银河系内外星文明的数量，也就是著名的德雷克方程N=R_*f_pn_ef_lf_if_cL。其中，N是银河系中外星文明的数量；R_*是银河系的恒星形成率；f_p是具有行星系统的恒星比例；n_e是每个太阳系中具有适宜生命生存环境的行星数量；f_l是这些可以孕育生命的行星中实际发展出生命的比例；f_i有生命的行星中出现智慧生命的比例；f_c是出现智慧生命的行星中发展成文明并发出可被探测信号的比例；L是先进文明的平均寿命，或者说智慧文明掌握可交流技术后的存活时间。前三项参数涉及到天文观测及天体物理学的发展，后四项参数涉及到生物、化学、社会学等多学科并充满太多的不确定性。

  这个方程是无解的，但可以提供一种启发式的指导。大多数理论研究试图改写德雷克方程的形式或着重研究其中某一项的影响。即使它无法给出准确的答案但其给出了一个合理的假设结构，修改或限制其中的每一项参数时都将带来新的结果与思考。

人类是否应该主动发送信号

  随着地外文明搜寻的深入研究，人们开始意识到除了聆听信号也许还能向太空发射信号。1971年，美国国家科学院和苏联科学院在比拉坎天体物理天文台举行了第一届苏联-美国地外智慧文明通讯(Communication with Extra-Terrestrial Intelligence)会议，会议讨论了无线电搜索的方法、技术和联系的后果、信息内容等等。

  这些讨论很快就付诸实践——1972年和1973年，美国发射的先驱者10号和先驱者11号太空飞船上分别携带着一块金属板，称为先锋牌匾。先锋牌匾由Carl Sagan和Frank Drake共同设计，信息包括太阳在星系的相对位置和太阳系的分布、地球的位置、宇宙飞船的轮廓及男人女人的草图，这是人类向太空发送的第一个信息。

  1974年11月，Frank Drake又带领团队利用阿雷西博射电望远镜向距离我们约25000光年的球状星团M13发送了一个无线电信息，称为“Arecibo Message”。内容包括五个具有生物学意义的原子(H，C，O，N，P)；一个DNA双螺旋结构的示意图；对人、太阳系的描述以及对阿雷西博天文台的描述等等。

  1977年美国航天局发射了两艘飞往太阳系外的空间探测器旅行者1号和旅行者2号，各自携带了一张名为“地球之音”的旅行者金唱片。这张唱片刻录了各种自然界的声音，同时选录了来自不同文化和时代的音乐以及55种古代和现代语言的口语问候，此外还用摩斯密码编写了“冲破黑暗迎向光明”这样鼓舞人心的信息；唱片同时收集了116张图像，涉及数学和物理量、太阳系及其行星、DNA、人类解剖和生殖，除了人类的拍摄照片外还包含一些动物、昆虫、植物和风景的照片。值得一提的是，这张唱片的封面由铝制成，在上面电镀的是铀-238同位素的超纯样品，而铀-238的半衰期为44.68亿年，这使得遇到金唱片的文明将能够使用剩余铀与其他元素的比例来确定唱片记录的年龄。

  然而，关于人们应该被动地寻找外星文明留下的技术签名还是主动向太空发出信号一直存在争议。包括霍金在内的不少科学家都曾提出，如果存在外星人，他们的文明发展是否在地球之上？主动发射信号会不会让他们来掠夺地球资源？主动发送信号后可能带来的负面结果理应需要全人类谨慎的思考。

寻找外星人的新进展

  近年来国内外都在积极推进SETI的发展。2016年国外正式启动“突破聆听计划”(Breakthrough Listen Initiative, BLI)。BLI是一项预计开展10年、耗资1亿美元的地外智慧生命搜寻计划，旨在通过无线电及光学技术对银河系及其附近的100个星系进行搜索。BLI目前正在使用绿岸望远镜及Parkes望远镜等搜寻可能的信号。

  在我国，中国科学院国家天文台与“突破聆听计划”已于2016年签署合作协议，并将使用我国500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)开展合作。FAST是目前世界上最大的单口径射电望远镜，通过使用配置在望远镜接收机后端的FAST-SetiBurst来进行对SETI的研究。相比于曾经最大的阿雷西博望远镜，FAST可以在相同时间内接收到更多来自不同天空位置的信号，同时有着更高的灵敏度，能够探测到更加暗弱的天体。相信FAST在今后的观测中能够给我们带来更多的惊喜。

  实际上，除了前面所提到的捕捉外星人发出的无线电信号外，还可以通过其他的间接观测法来发现外星人。

  首先，可以通过观测恒星的亮度变化来发现可能的智慧现象。我们知道，行星围绕着恒星在绕转，当行星在视线方向遮挡住恒星时，就会造成恒星的亮度周期性地变化。同理，外星文明建造的巨型设施也可能对恒星造成亮度变化。这里，笔者简单介绍一下“戴森球假说”。1959年，美国物理学家戴森曾提出，一个高度发达的文明，必然有能力向太空中发射环绕太阳的能源采集器，甚至可以将太阳用球状结构包围起来。那么，类似“戴森球”的巨型结构就可能造成其宿主恒星的亮度变化，体现在恒星的光变曲线，但是这种方法在于要能够区分天体物理机制和人造物体造成的亮度变化。

  其次，通过寻找其他行星的大气污染物来发现外星人。我们知道机动车的尾气及化石燃料燃烧会产生污染性气体，例如二氧化氮。相关科学家发现，地球大气层中的污染物会有很强的吸收谱线，因此通过分析光谱数据，可以确定大气层中的化学成分，从而发现是否存在文明造成的大气污染。

  再次，也可以通过寻找太空垃圾来发现外星文明。人类在发展航空航天时，会留下各种人造废弃体及衍生物。这些物体小到固态火箭的燃烧残渣，大到发射后被遗弃的多节火箭。高度发达的文明也可能产生很多的太空垃圾，通过观测太空垃圾来发现外星人。此外，当这些太空垃圾数量过多时，可能会形成一个围绕行星的行星环，当这个行星环达到一定数量时同样可能对恒星的亮度变化造成影响。

  除了观测的方法，理论上的假设预估同样可以给我们一些启发。

  例如，笔者最近利用假设外星人的出现率及诞生时间，通过数值模拟研究了当银河系中存在一定数量的文明时人类接收到他们发出信号的概率。模拟结果表明，乐观情况下，银河系整个演化历史中可能有4万个外星文明存在，而人类平均需要存活30万年才能接收到一次信号，最少需要2000年能够接收到一次信号；悲观情况下，大约有100多个外星文明存在，平均需要存活5000万年才能接收到一次其他CETIs发出的信号，最少则需要40万年才能接收到一次信号。在银河系整个演化历史中，由于诞生时间的随机性及交流寿命的限制，可能导致我们跟其他外星文明的生存周期完全错开，因此人类直到今天还没有观测到外星人信号的一个重要原因很可能是我们的交流寿命还不够长，从而定量解释了费米悖论。

  必须指出的是，由于目前没有观测数据能够对这些参数进行限制，外星文明的出现概率及诞生时间是不可预测的，因此理论预估的结果存在很大的不确定性。然而，随着天文观测的快速发展，对这类研究进行定量计算已经成为可能。通过这些定量计算，能够给我们带来理论上的预估，我们才能有效地判断某些可疑信号是否确实由其他外星人发出，并利用未来观测到的信号对其他外星人进行有价值的研究，例如我们的研究中提到的外星人的出生率及诞生时间。

  经过约60年的探索，至今我们仍然没有任何的观测证据证实宇宙中其他地方有外星人的存在。那么，是否可以认定外星人不存在呢？也不能。在没有经过大量的搜索之前，这个问题没有答案。

  相关科学家将宇宙比喻为一个多维的“宇宙干草堆”，并估算了几个大型射电SETI项目在“干草堆”中共同搜索过的部分，发现只搜索了一个微小的参数空间。这个空间相当于在地球上所有的海洋中只寻找了一个大浴缸或小游泳池的区域，这个区域没有外星人，不代表整个宇宙都没有。

  笔者相信，随着天文观测能力的进一步提高，SETI相关研究也会得到快速发展，寻找外星人的步伐不会停止。

  （作者：宋文洁 高鹤，分别系北京师范大学天文系研究生，教授、博士生导师）