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我們能“聽”到外星人發出的信號嗎?

文章來自“科學大院”公眾號

作者:閆震

前一段時間,朋友圈、微博都被所謂的“來自15億光年外的外星人信號“刷屏了,很多吃瓜群眾都湊熱鬧地吼一句“不要回答!”

圖片來源:網絡截圖

其實這個信號是來自於一個重複的快速射電暴,雖然它的本質我們還不完全清楚,可以肯定和外星人沒有什麽關係。

類似的一幕在歷史上不斷上演,就像50多年前,Bell發現了一個周期性射電信號,也有人懷疑這個信號是來自“小綠人[1] ”(作者注:在五六十年代新聞中經常用“小綠人”代指外星人),而其實它是來自脈衝星。

為什麽一提到外星人大家都這麽好奇呢?因為作為唯一已知的智慧生命,我們人類都很關心這些問題:外星人存在嗎?他們在哪兒?我們能接收到外星人的信號嗎?

費米悖論:外星人都在哪兒

1950年,在一個午餐聚會的討論中,著名物理學家Enrico Fermi 向他的同事提出了一個問題,外星人都在哪兒?我們的銀河系有幾千億顆恆星,如果它們都有行星,那麽肯定會有智慧生命存在,宇宙的歷史那麽長,如果這些智慧生命一直存續下去,他們早已經能夠遍布整個銀河系了,為什麽我們還是沒有發現他們存在的證據?這就是著名的“費米悖論”。不過,據說這些論點並不是費米提出的,而是天文學家Michael Hart和物理學家Frank Tipler先後提出的。

(圖片來源:作者自製,借用哈勃極深場圖像製作)

後來,還有不少科學家基於一些假設計算一個智慧文明殖民整個銀河系需要多少時間。James Trefil 和Robert Rood認為只需要3000萬年,而Carl Sagan計算出需要50億年。當然這些數字的實際意義並不大,因為計算基於的很多假設不確定性太大。雖然“費米悖論”還存在爭議,但是人類一直孜孜不倦地追問和費米同樣的問題:外星人都在哪兒?

德雷克方程:我們能接收到多少地外文明信號?

早在人類剛剛開始使用無線電波的年代,當時的科學家們比如Heinrich Hertz, Nikola Tesla和Guglielmo Marconi就很有預見性地認為,無線電波可以作為行星際之間的通訊手段。1919年,Marconi在一次實驗中接收到一個奇怪的信號,他試圖研究這個信號是不是來自火星,當時還引起了很大的社會轟動,因為在那個年代火星人還是各種科幻故事的主角。一百年後,大家依舊對“奇怪”的射電信號有著濃濃的興趣,只不過主角在不斷地變換。

1958年剛剛從哈佛大學畢業的博士Frank Drake來到了Green Bank天文台,剛開始Drake只是尋找一些普通的天體作為射電天文的觀測對象。比如在1959年他第一次發現了由於木星的磁場捕獲帶電粒子產生的異塵餘生帶。

同年,Giuseppe Cocconi 和 Philip Morriso在《自然》雜誌發表了一篇題目為《Searching for Interstellar Communications》 論文建議利用射電望遠鏡搜尋有特徵的窄帶射電信號,這種信號可能來自外星文明的通訊,而且他們建議天文學家在1420兆赫茲這個頻率進行搜尋,因為這個頻率對應於氫原子的發射線,而氫是宇宙中最為普遍的元素。這篇文章為之後搜尋地外文明的試驗指明了一個方向,可以說是該領域奠基性的論文。

也許受到這篇文章的啟發,Drake和他的同事們進行了一個名為“Ozma”的研究項目,將一個口徑25米的射電望遠鏡指向了鄰近[2] 太陽系的兩顆恆星Tau Ceti 和 Epsilon Eridani。他們在兩個月的觀測中確實接收到了一些不同尋常的信號。不過,後來仔細分析,他們發現信號是來自高空飛行的飛機。這個項目是有科學記錄的人類第一次開展搜尋地外文明的試驗,從此拉開了人類搜尋地外文明的序幕。

在1961年的一次關於搜尋地外文明的小型研討會上,Drake提出了著名的Drake方程。這個方程第一次定量的估計了我們能接收到地外文明信號的數量,它考慮了恆星形成,行星形成以及一些其它影響智慧生命存在和發展的因素

這個方程寫成:

N = RfpNeflfifcL

其中N是銀河系中能夠被探測到電磁波信號的文明的數目,R是平均恆星形成率,fp是存在行星的恆星比例,Ne是適宜生命的行星數目,fl是在這些宜居行星中確實出現生命的比例,fi是其中出現智慧生命的比例,fc是智慧生命擁有星際通訊能力的比例,L是這樣的文明持續發射電磁波信號的時間。

Drake方程 (圖片來自於seti.org)

根據這個方程,Drake非常粗略地推測銀河系內N大約為10000,也就是說,人類大約能收到10000個不同的“外星人”發出的信號。其實除了恆星形成率,其它參數在當時連一個靠譜的猜測都沒有,比如直到90年代,人類才第一次發現太陽系外的行星,何談估計存在行星的恆星比例,因此Drake估計的數字並沒有太大的參考意義(http://activemind.com/Mysterious/Topics/SETI/drake_equation.html,感興趣的可以在這個網站自己計算一下)。

但是Drake方程第一次引領人們科學的思考搜尋地外文明的問題,把一個看似無從下手的問題,轉變為一個個可以估計的參數。後來Drake成為搜尋地外文明領域奠基者之一,被稱為“搜尋地外文明科學之父”。2001年,SETI研究所成立[3] 了一個獎項就是以Drake的名字命名,用以獎勵在地外文明搜尋方面做出突出貢獻的科學家。

搜尋地外文明: 爭議與探索

即使存在使用無線電波進行通訊的地外文明,我們也不知道他們在哪兒、他們使用什麽頻率進行通訊。因此這種觀測需要搜尋很多的天區同時需要搜尋很寬的頻率範圍(不是僅僅局限在氫線的頻率),花費大量的觀測時間,當然,也需要很多錢……

NASA曾經在七十年代開展了一系列有關搜尋地外文明(search for extraterrestrial intelligence,SETI)的項目,但是在1981年被國會叫停了,有參議員認為SETI項目不可能得到什麽結果,是浪費納稅人的錢;在著名的天文學家Carl Sagan的遊說下,國會於1983年又重新恢復了資助。

1992年10月12日,NASA開始了一個名為“高分辨率微波巡天”(High Resolution Microwave Survey)的項目,目的就是搜尋地外文明信號,這一天是哥倫布發現美洲的日子,選在這天可見NASA的用意深遠。這個項目為期10年,預算為1億美元,包括兩個部分:全天巡天和定點搜尋。其中定點搜尋是利用口徑300米的Arecibo射電望遠鏡針對鄰近的恆星進行監測,這是當時世界上最大的射電望遠鏡。但是項目運行了一年之後,國會就中止了資助,同樣還是有議員認為SETI項目沒有結果。這一中斷竟然長達25年,直到2018年,國會才給了NASA 1千萬美元用於搜尋地外文明的項目。

除了美國,其他國家也有過搜尋地外文明的項目,主要是前蘇聯。他們於1971年和1981年分別在亞美尼亞和愛沙尼亞舉行過相關的國際會議。在美國,除了政府資助的NASA,民間也有很多大學和研究機構開展了很多搜尋地外文明的項目。

圖片來源:視覺中國

1984年11月,Tom Pierson和Jill Tarter成立了一家名為SETI研究所的非盈利性組織,從名字就能看出來,該研究所主要目標就是搜尋地外文明。它的第一任理事包括 Frank Drake, Andrew Fraknoi, Roger Heyns, and William Welch,其中Drake是理事會主席。後來包括 Carl Sagan, Lew Platt和 諾貝爾獎獲得者Baruch Blumberg(1976年生物醫學獎) 和Charles Townes(1964年物理學獎)都曾經是理事會成員。

SETI研究所曾經承擔了很多NASA的和搜尋地外文明相關的研究項目, Jill Tarter還曾擔任“高分辨率微波巡天”的項目科學家。當NASA的相關研究經費被終止之後,這些人在SETI研究所另起爐灶,成立一個名為“鳳凰”的項目(Project Phoenix),由Jill Tarter領導,該項目的經費大多來自於私人捐助,其中包括很多當時科技界的大佬,比如英特爾的聯合創始人Gordon Moore,惠普的聯合創始人Bill Hewlett和微軟的聯合創始人Paul Allen。

可以認為“鳳凰”項目是被NASA砍掉的“高分辨率微波巡天”項目的繼任者,該項目採用的觀測策略是定點搜尋,先後利用澳大利亞64米的Parkes望遠鏡、Green Bank天文台的42米射電望遠鏡和Arecibo望遠鏡進行觀測。

由於Arecibo望遠鏡觀測時間分配很緊張。“鳳凰”項目在6年之間隻觀測了100多天。SETI研究所希望擁有望遠鏡專門用於搜尋地外文明的觀測。科學家們計劃建造一個擁有350面天線的射電望遠鏡陣列,這個望遠鏡以讚助者Paul Allen的名字命名,叫做Allen Telescope Array,簡稱ATA。這是一個非常龐大的項目,不可能一蹴而就,他們決定先建設一個小的陣列,然後逐步擴大。2007年,第一批42面天線建造完成,每個天線的口徑為6米。ATA是第一個專門為了搜尋地外文明信號所設計的大型射電望遠鏡。

Allen Telescope Array (圖片來自於Seth Shostak/SETI Institute)

[email protected]:找外星人 人人上陣!

除了望遠鏡和觀測時間,SETI的研究還面臨一個問題--數據分析。因為細致地分析數據所需要的計算能力實在太大,當時他們沒有經費建造或者購買一台擁有這樣強大能力的超級計算機。加州大學伯克利分校的兩個計算機科學家David Gedye 和 Craig Kasnov想到了用分布式計算來解決這個問題。

1999年,他們上線了一個名為[email protected]的項目,想利用聯網的個人電腦來幫助分析Arecibo望遠鏡的觀測數據,這些數據來自加州大學伯克利分校的一個SETI項目,名為“SERENDIP”(Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations)。把軟體安裝在個人電腦上,當電腦閑置的時候,這個軟體就會自動下載數據,然後進行分析,產生一些圖像,看起來就像螢幕保護一樣。坐在家裡就能搜尋外星人的信號,這個想法讓人聽起來就覺得很酷,所以該項目上線之後,民眾的熱情非常高,吸引了數百萬的用戶使用。

[email protected]的軟體產生的數據分析圖像 (圖片來源:[email protected], UC Berkeley SETI Team)

[email protected]可以說是最為成功的一個公眾參與的分布式計算項目,後來科學家以此為基礎開發了一個名為BOINC的分布式計算平台,用於不同學科的分布式計算,比如生物醫學、藥物研發、數學、密碼學甚至大型強子對撞機的數據分析。2005年,[email protected]項目也轉到BOINC平台上,一直運行到現在。

更宏偉的計劃:“突破聆聽”

2015年,俄羅斯的億萬富翁Yuri Milner發起了一個名為“突破計劃”(Breakthrough Initiatives)的項目,聯合多位著名的科學家,包括Stephen Hawking、Martin Rees、Ann Druyan和Frank Drake,旨在尋找一個問題的答案:Are we alone ?其中的一項計劃名為“突破聆聽”(Breakthrough Listen),就是利用望遠鏡搜尋地外文明的通訊信號,這項計劃將耗資1億美元,搜尋距離我們最近的1百萬顆恆星以及距離最近的100個星系,這將是迄今為止最為龐大的搜尋地外文明計劃。

圖片來源:https://www.shutterstock.com/

這些觀測已經相繼開展,使用的望遠鏡包括100米的GreenBank,64米的Parkes等射電望遠鏡,還利用Lick天文台的APFT(Automated Planet Finder Telescope)望遠鏡試圖搜尋地外文明的光學雷射信號,因為雷射也是一個很好的通訊手段,地外文明也有可能使用雷射進行通訊

零記錄:外星人“信號”還沒有出現

很多人看到這裡,都會想問,你說了這麽多,我們人類到底有沒有接收到外星人的信號?很遺憾,答案是沒有。

雖然科學家們付出了這麽多努力,探測到過很多“有趣”的信號(包括開頭提到的快速射電暴),但是迄今還沒有確切的證據表明有信號是來自地外文明。但是我們也隻擁有有限的幾種手段,搜尋了很小一部分範圍。對此,Jill Tarter打了一個很好的比喻,“如果你的問題是,‘海裡有魚嗎?’你舀了一杯水,看了看沒有魚,我覺得你不會因此就得出結論說海裡沒有魚。”

當然也有一些“疑似”的事例,最著名的就是1977美國天文學家Jerry Ehman發現的“Wow!”信號,它的頻率就在1420兆赫茲,但是這個信號隻持續了72秒,而且之後在那個方向上就再也沒有探測到過。在2012年,“WoW!”信號發現35周年之際,受國家地理頻道的請求,Arecibo天文台向“WoW!”信號的方向發射了一束無線電波,包含了10000條Twitter的信息。

“Wow!”信號 (來自Ehman的手稿。紅圈中的“6EQUJ5”代表信號信號強度隨時間的變化。)

還有一些其它的“疑似”事例最終被證明是來自我們人類的信號,比如Drake最早的搜尋。最近的一次發生在2016年,俄羅斯和意大利的天文學家宣稱利用俄羅斯的一個射電望遠鏡接收到一個“可能”的外星文明信號,來自在一個距離我們94光年遠的和太陽類似的恆星HD164595,而且這顆恆星是有行星圍繞的,後來其它的射電望遠鏡也對該恆星進行了觀測,但是沒有探測到類似的信號,最後該信號被認為是來自一顆軍方的衛星。

奇怪的天體:特殊的搜尋對象

雖然沒有搜尋到外星人的信號,但是最近幾年天文上有好幾例有趣的發現都和外星人扯上了關係,成為SETI的搜尋對象。

恆星KIC 8462852

2015年天文學家Tabby Boyajian發現了一顆光變模式非常詭異的恆星KIC 8462852,各種模型都無法解釋它的光度變化,賓夕法尼亞州立大學的副教授Jason Wright提出了這有可能是高級的外星文明建造的類似戴森球的結構,用於收集恆星的能量,當然我們現在還無法驗證這種說法。

Wright和Boyajian一起合作,利用不同的望遠鏡繼續對這顆恆星進行監測,他們也使用射電望遠鏡搜尋來自這顆恆星的窄帶射電信號,SETI研究所也利用ATA望遠鏡進行了搜尋,但是都沒有找到。加州大學伯克利分校的Nate Tellis在2017年利用Keck望遠鏡搜尋它的光學雷射信號,也沒有探測到。但是恆星KIC 8462852依然是SETI領域一個熱門的觀測對象。

假想的戴森球結構(圖片來源:http://www.capnhack.com)

天體Oumuamua

2017年,天文學家第一次發現了一顆來自太陽系外的小天體,後來被命名為“Oumuamua”,夏威夷語中意思是“遠方的信使”。這個太陽系外的訪客激起了天文學家濃厚的興趣,很多的大型望遠鏡都對它進行觀測。

它是一個類似雪茄形狀的長條形,估計它的長度可能是幾百米,由於走位太過於風騷,天文學家很難解釋它的運動軌跡。Jason Wright認為它可能是一艘損壞的外星人飛船,哈佛大學的著名教授Avi Loeb在一篇論文中認為它可能是靠太陽異塵餘生壓驅動的外星人飛船,當然這些說法都還只能停留在理論推測上。射電望遠鏡同樣對“Oumuamua”進行了射電信號的搜尋,包括ATA和GreenBank望遠鏡,但是也沒有發現什麽信號。

Oumuamua的假想圖 (圖片來源:ESO/M. Kornmesser)。

雖然歷史上很多“神秘”的現象最終都被證明是自然原因造成的,而非外星人所為。但是Jason Wright認為,在搜尋地外文明領域,將天文上不同尋常的現象作為搜尋對象,是一個非常合理的策略,我們就應該重點關注天體物理不能解釋的現象,如果存在大自然的機制不能產生的現象,才有可能認為是智慧文明所為。

不過對於科學家來說,把這些不能解釋的現象都歸結為外星文明,面臨著科學哲學方面的問題,因為這種假說很難甚至根本不可能被證偽。正如Jason Wright在他的部落格中寫道的那樣:“對於這些無法解釋的現象,外星人假說應該作為我們最後尋求的解釋”。

寫在最後的話

搜尋地外文明注定是一條漫長的路,也許我們永遠無法到達終點,但是我想用Carl Sagan的一句話作為結尾:“宇宙實在太大,如果只有我們人類,好像有點太浪費空間了。

參考資料:

1. https://history.nasa.gov/garber.pdf

2. https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/the-fermi-paradox-is-not-fermi-s-and-it-is-not-a-paradox/

3. https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/05/seti-technosignatures-nasa-jill-tarter/558512/

4. https://www.seti.org/history-seti-institute

5. https://www.seti.org/seti-institute/project/details/project-phoenix

6. https://www.seti.org/ata

7. http://breakthroughinitiatives.org/initiative/1

8. https://en.wikipedia.org/wiki/Wow!_signal

9. https://en.wikipedia.org/wiki/KIC_8462852

10. https://en.wikipedia.org/wiki/%CA%BBOumuamua

作者部門:中國科學院上海天文台

文章首發於科學大院,轉載請聯繫[email protected]

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