作者：宋文潔 高鶴（分別系北京師范大學(xué)天文系研究生，教授、博士生導師）

　　人類(lèi)是不是宇宙中唯一的智慧生命？究竟有沒(méi)有外星人？怎么找到外星人？日前，北京師范大學(xué)高鶴教授帶領(lǐng)的研究團隊進(jìn)行了一項模擬研究，結果表明：即便在最樂(lè )觀(guān)情況下，人類(lèi)最少要2000年才能夠接收到一次外星人發(fā)來(lái)的信號；悲觀(guān)情況下，最少需要40萬(wàn)年才能接收到一次信號。我們把地球以外的智慧生命統稱(chēng)為外星人（Extraterrestrial Intelligence，簡(jiǎn)稱(chēng)ET）。1950年，來(lái)自意大利的諾貝爾獎獲得者、物理學(xué)家Enrico Fermi在一次非正式會(huì )議中提出：“如果真的存在外星文明，那么他們在哪里呢？為何至今沒(méi)有證據顯示他們來(lái)訪(fǎng)過(guò)地球？”這就是著(zhù)名的費米悖論——如果外星人真的存在，我們?yōu)楹螐奈唇邮盏酵庑侨说男盘枺恳肟茖W(xué)地尋找外星人，必須從天文學(xué)出發(fā)。隨著(zhù)19世紀電磁輻射的發(fā)現及20世紀天文射電望遠鏡的發(fā)明和發(fā)展，使得地外文明搜尋計劃逐漸具備科學(xué)性，成為天文學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。

　　尋找外星人，這是一項嚴肅的科學(xué)研究

　　隨著(zhù)地球上無(wú)線(xiàn)電波的廣泛應用，人們開(kāi)始猜測，也許外星人也擁有無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，并向宇宙中發(fā)射廣播信號，那么就可以通過(guò)捕捉外星人發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號來(lái)證明他們的存在。

　　1959年，Phillip Morrison和Giuseppe Cocconi兩位天文學(xué)家設計了一個(gè)思想實(shí)驗，即把世界上最強大的雷達發(fā)射器對準一個(gè)巨大的接收天線(xiàn)，計算發(fā)射器和接收器建立無(wú)線(xiàn)電連接的最遠距離。結果表明，即使發(fā)射器和接收器相距光年（光在真空中傳播一年的距離），也能接收無(wú)線(xiàn)電信號。這一結果促使兩位科學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表了一篇論文，探討外星人無(wú)線(xiàn)電通信的問(wèn)題——既然捕捉信號可行，應該捕捉什么頻率的信號呢？Cocconi和Morrison提出在無(wú)線(xiàn)電頻段一個(gè)具有普遍性的獨特頻率是1.42GHz，即21cm中性氫，其在宇宙中廣泛存在；另一個(gè)頻段是1400MHz-1700MHz（OH）。由于氫和羥基結合會(huì )形成水，所以其輻射發(fā)射的頻率被稱(chēng)為“水洞”。他們認為，因為這些頻率與地球上的生命有所聯(lián)系，因此有理由在這些頻率附近搜索外星人。

　　1960年，Frank Drake進(jìn)行了第一個(gè)關(guān)于地外文明搜尋計劃（Search for Extra-Terrestrial Intelligence，SETI）的無(wú)線(xiàn)電觀(guān)測，稱(chēng)為奧茲瑪項目。研究者使用美國西弗吉尼亞州國家射電天文臺的26米塔特爾射電望遠鏡，搜尋了距離我們分別為10.2光年和11.9光年的天衛二和天衛五兩顆類(lèi)太陽(yáng)恒星氫頻率附近的無(wú)線(xiàn)電信號。然而一無(wú)所獲。

　　此后，美國、蘇聯(lián)、澳大利亞、加拿大、法國、荷蘭、英國等國家以不同的頻率進(jìn)行了超過(guò)60次搜索，累計搜索時(shí)間超過(guò)20萬(wàn)個(gè)小時(shí)。

　　美國國家航空航天局(NASA)的科學(xué)家于1992年利用射電望遠鏡搜尋外星信號，搜尋工作主要由兩個(gè)團隊開(kāi)展。其中一個(gè)團隊在艾姆斯研究中心采用“目標搜尋”技術(shù)在1GHz-3GHz頻段檢測距離地球80光年處的約800顆類(lèi)太陽(yáng)恒星，而另一個(gè)團隊則使用位于美國加利福尼亞州莫哈韋沙漠的戈德斯通望遠鏡群中的34米射電望遠鏡進(jìn)行“全天巡天搜尋”。遺憾的是，一年后由于資金不足，全天搜尋項目終止，而“目標搜尋”改名為“鳳凰計劃”于1995年重新開(kāi)啟，并使用位于澳大利亞新南威爾士州口徑為64米的帕克斯射電望遠鏡進(jìn)行觀(guān)測。1998年，阿雷西博射電望遠鏡參與到“鳳凰計劃”的搜尋中，它是當時(shí)世界上最大的單面口徑的射電望遠鏡，其直徑達到305米。“鳳凰計劃”在其工作的近10年期間觀(guān)測了距離地球200光年的約800個(gè)恒星系統，頻率覆蓋范圍為1200-3000MHz，是無(wú)線(xiàn)電搜尋地外文明計劃中搜尋范圍最廣的之一。

　　由于制造大量小天線(xiàn)比制造一個(gè)特大天線(xiàn)成本更低，且天線(xiàn)陣列能夠在給定的時(shí)間內觀(guān)測更多目標，在微軟聯(lián)合創(chuàng )始人Paul Allen的資金支持下，建造了第一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于SETI觀(guān)測的射電望遠鏡——艾倫望遠鏡陣列。艾倫望遠鏡陣列由42個(gè)碟形天線(xiàn)組成，可以同時(shí)收聽(tīng)7200萬(wàn)個(gè)1Hz的無(wú)線(xiàn)電頻道。艾倫望遠鏡陣列使得SETI的搜索速度提高了至少100倍，成為SETI發(fā)展中至關(guān)重要的一步。此后，20世紀90年代世界各國陸續開(kāi)展了很多關(guān)于SETI的觀(guān)測項目。

　　值得一提的是，Frank Drake在綠岸天文臺一次討論地外智慧生命的會(huì )議上提出可以用一個(gè)方程來(lái)估算銀河系內外星文明的數量，也就是著(zhù)名的德雷克方程N=R*fpneflfifcL。其中，N是銀河系中外星文明的數量；R*是銀河系的恒星形成率；fp是具有行星系統的恒星比例；ne是每個(gè)太陽(yáng)系中具有適宜生命生存環(huán)境的行星數量；fl是這些可以孕育生命的行星中實(shí)際發(fā)展出生命的比例；fi有生命的行星中出現智慧生命的比例；fc是出現智慧生命的行星中發(fā)展成文明并發(fā)出可被探測信號的比例；L是先進(jìn)文明的平均壽命，或者說(shuō)智慧文明掌握可交流技術(shù)后的存活時(shí)間。前三項參數涉及到天文觀(guān)測及天體物理學(xué)的發(fā)展，后四項參數涉及到生物、化學(xué)、社會(huì )學(xué)等多學(xué)科并充滿(mǎn)太多的不確定性。

　　這個(gè)方程是無(wú)解的，但可以提供一種啟發(fā)式的指導。大多數理論研究試圖改寫(xiě)德雷克方程的形式或著(zhù)重研究其中某一項的影響。即使它無(wú)法給出準確的答案但其給出了一個(gè)合理的假設結構，修改或限制其中的每一項參數時(shí)都將帶來(lái)新的結果與思考。

　　人類(lèi)是否應該主動(dòng)發(fā)送信號

　　隨著(zhù)地外文明搜尋的深入研究，人們開(kāi)始意識到除了聆聽(tīng)信號也許還能向太空發(fā)射信號。1971年，美國國家科學(xué)院和蘇聯(lián)科學(xué)院在比拉坎天體物理天文臺舉行了第一屆蘇聯(lián)-美國地外智慧文明通訊(Communication with Extra-Terrestrial Intelligence)會(huì )議，會(huì )議討論了無(wú)線(xiàn)電搜索的方法、技術(shù)和聯(lián)系的后果、信息內容等等。

　　這些討論很快就付諸實(shí)踐——1972年和1973年，美國發(fā)射的先驅者10號和先驅者11號太空飛船上分別攜帶著(zhù)一塊金屬板，稱(chēng)為先鋒牌匾。先鋒牌匾由Carl Sagan和Frank Drake共同設計，信息包括太陽(yáng)在星系的相對位置和太陽(yáng)系的分布、地球的位置、宇宙飛船的輪廓及男人女人的草圖，這是人類(lèi)向太空發(fā)送的第一個(gè)信息。

　　1974年11月，Frank Drake又帶領(lǐng)團隊利用阿雷西博射電望遠鏡向距離我們約25000光年的球狀星團M13發(fā)送了一個(gè)無(wú)線(xiàn)電信息，稱(chēng)為“Arecibo Message”。內容包括五個(gè)具有生物學(xué)意義的原子(H，C，O，N，P)；一個(gè)DNA雙螺旋結構的示意圖；對人、太陽(yáng)系的描述以及對阿雷西博天文臺的描述等等。

　　1977年美國航天局發(fā)射了兩艘飛往太陽(yáng)系外的空間探測器旅行者1號和旅行者2號，各自攜帶了一張名為“地球之音”的旅行者金唱片。這張唱片刻錄了各種自然界的聲音，同時(shí)選錄了來(lái)自不同文化和時(shí)代的音樂(lè )以及55種古代和現代語(yǔ)言的口語(yǔ)問(wèn)候，此外還用摩斯密碼編寫(xiě)了“沖破黑暗迎向光明”這樣鼓舞人心的信息；唱片同時(shí)收集了116張圖像，涉及數學(xué)和物理量、太陽(yáng)系及其行星、DNA、人類(lèi)解剖和生殖，除了人類(lèi)的拍攝照片外還包含一些動(dòng)物、昆蟲(chóng)、植物和風(fēng)景的照片。值得一提的是，這張唱片的封面由鋁制成，在上面電鍍的是鈾-238同位素的超純樣品，而鈾-238的半衰期為44.68億年，這使得遇到金唱片的文明將能夠使用剩余鈾與其他元素的比例來(lái)確定唱片記錄的年齡。

　　然而，關(guān)于人們應該被動(dòng)地尋找外星文明留下的技術(shù)簽名還是主動(dòng)向太空發(fā)出信號一直存在爭議。包括霍金在內的不少科學(xué)家都曾提出，如果存在外星人，他們的文明發(fā)展是否在地球之上？主動(dòng)發(fā)射信號會(huì )不會(huì )讓他們來(lái)掠奪地球資源？主動(dòng)發(fā)送信號后可能帶來(lái)的負面結果理應需要全人類(lèi)謹慎的思考。

　　尋找外星人的新進(jìn)展

　　近年來(lái)國內外都在積極推進(jìn)SETI的發(fā)展。2016年國外正式啟動(dòng)“突破聆聽(tīng)計劃”(Breakthrough Listen Initiative, BLI)。BLI是一項預計開(kāi)展10年、耗資1億美元的地外智慧生命搜尋計劃，旨在通過(guò)無(wú)線(xiàn)電及光學(xué)技術(shù)對銀河系及其附近的100個(gè)星系進(jìn)行搜索。BLI目前正在使用綠岸望遠鏡及Parkes望遠鏡等搜尋可能的信號。

　　在我國，中國科學(xué)院國家天文臺與“突破聆聽(tīng)計劃”已于2016年簽署合作協(xié)議，并將使用我國500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)開(kāi)展合作。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，通過(guò)使用配置在望遠鏡接收機后端的FAST-SetiBurst來(lái)進(jìn)行對SETI的研究。相比于曾經(jīng)最大的阿雷西博望遠鏡，FAST可以在相同時(shí)間內接收到更多來(lái)自不同天空位置的信號，同時(shí)有著(zhù)更高的靈敏度，能夠探測到更加暗弱的天體。相信FAST在今后的觀(guān)測中能夠給我們帶來(lái)更多的驚喜。

　　實(shí)際上，除了前面所提到的捕捉外星人發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號外，還可以通過(guò)其他的間接觀(guān)測法來(lái)發(fā)現外星人。

　　首先，可以通過(guò)觀(guān)測恒星的亮度變化來(lái)發(fā)現可能的智慧現象。我們知道，行星圍繞著(zhù)恒星在繞轉，當行星在視線(xiàn)方向遮擋住恒星時(shí)，就會(huì )造成恒星的亮度周期性地變化。同理，外星文明建造的巨型設施也可能對恒星造成亮度變化。這里，筆者簡(jiǎn)單介紹一下“戴森球假說(shuō)”。1959年，美國物理學(xué)家戴森曾提出，一個(gè)高度發(fā)達的文明，必然有能力向太空中發(fā)射環(huán)繞太陽(yáng)的能源采集器，甚至可以將太陽(yáng)用球狀結構包圍起來(lái)。那么，類(lèi)似“戴森球”的巨型結構就可能造成其宿主恒星的亮度變化，體現在恒星的光變曲線(xiàn)，但是這種方法在于要能夠區分天體物理機制和人造物體造成的亮度變化。

　　其次，通過(guò)尋找其他行星的大氣污染物來(lái)發(fā)現外星人。我們知道機動(dòng)車(chē)的尾氣及化石燃料燃燒會(huì )產(chǎn)生污染性氣體，例如二氧化氮。相關(guān)科學(xué)家發(fā)現，地球大氣層中的污染物會(huì )有很強的吸收譜線(xiàn)，因此通過(guò)分析光譜數據，可以確定大氣層中的化學(xué)成分，從而發(fā)現是否存在文明造成的大氣污染。

　　再次，也可以通過(guò)尋找太空垃圾來(lái)發(fā)現外星文明。人類(lèi)在發(fā)展航空航天時(shí)，會(huì )留下各種人造廢棄體及衍生物。這些物體小到固態(tài)火箭的燃燒殘渣，大到發(fā)射后被遺棄的多節火箭。高度發(fā)達的文明也可能產(chǎn)生很多的太空垃圾，通過(guò)觀(guān)測太空垃圾來(lái)發(fā)現外星人。此外，當這些太空垃圾數量過(guò)多時(shí)，可能會(huì )形成一個(gè)圍繞行星的行星環(huán)，當這個(gè)行星環(huán)達到一定數量時(shí)同樣可能對恒星的亮度變化造成影響。

　　除了觀(guān)測的方法，理論上的假設預估同樣可以給我們一些啟發(fā)。

　　例如，筆者最近利用假設外星人的出現率及誕生時(shí)間，通過(guò)數值模擬研究了當銀河系中存在一定數量的文明時(shí)人類(lèi)接收到他們發(fā)出信號的概率。模擬結果表明，樂(lè )觀(guān)情況下，銀河系整個(gè)演化歷史中可能有4萬(wàn)個(gè)外星文明存在，而人類(lèi)平均需要存活30萬(wàn)年才能接收到一次信號，最少需要2000年能夠接收到一次信號；悲觀(guān)情況下，大約有100多個(gè)外星文明存在，平均需要存活5000萬(wàn)年才能接收到一次其他CETIs發(fā)出的信號，最少則需要40萬(wàn)年才能接收到一次信號。在銀河系整個(gè)演化歷史中，由于誕生時(shí)間的隨機性及交流壽命的限制，可能導致我們跟其他外星文明的生存周期完全錯開(kāi)，因此人類(lèi)直到今天還沒(méi)有觀(guān)測到外星人信號的一個(gè)重要原因很可能是我們的交流壽命還不夠長(cháng)，從而定量解釋了費米悖論。

　　必須指出的是，由于目前沒(méi)有觀(guān)測數據能夠對這些參數進(jìn)行限制，外星文明的出現概率及誕生時(shí)間是不可預測的，因此理論預估的結果存在很大的不確定性。然而，隨著(zhù)天文觀(guān)測的快速發(fā)展，對這類(lèi)研究進(jìn)行定量計算已經(jīng)成為可能。通過(guò)這些定量計算，能夠給我們帶來(lái)理論上的預估，我們才能有效地判斷某些可疑信號是否確實(shí)由其他外星人發(fā)出，并利用未來(lái)觀(guān)測到的信號對其他外星人進(jìn)行有價(jià)值的研究，例如我們的研究中提到的外星人的出生率及誕生時(shí)間。

　　經(jīng)過(guò)約60年的探索，至今我們仍然沒(méi)有任何的觀(guān)測證據證實(shí)宇宙中其他地方有外星人的存在。那么，是否可以認定外星人不存在呢？也不能。在沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量的搜索之前，這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有答案。

　　相關(guān)科學(xué)家將宇宙比喻為一個(gè)多維的“宇宙干草堆”，并估算了幾個(gè)大型射電SETI項目在“干草堆”中共同搜索過(guò)的部分，發(fā)現只搜索了一個(gè)微小的參數空間。這個(gè)空間相當于在地球上所有的海洋中只尋找了一個(gè)大浴缸或小游泳池的區域，這個(gè)區域沒(méi)有外星人，不代表整個(gè)宇宙都沒(méi)有。

　　筆者相信，隨著(zhù)天文觀(guān)測能力的進(jìn)一步提高，SETI相關(guān)研究也會(huì )得到快速發(fā)展，尋找外星人的步伐不會(huì )停止。