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我们能“听”到外星人发出的信号吗?

我们能“听”到外星人发出的信号吗?

本文来自微信公众号:科学大院(ID: kexuedayuan),作者:闫震。头图来自:东方IC。


前一段时间,朋友圈、微博都被所谓的“来自15亿光年外的外星人信号“刷屏了,很多吃瓜群众都凑热闹地吼一句“不要回答!”


图片来源:网络截图


其实这个信号是来自于一个重复的快速射电暴,虽然它的本质我们还不完全清楚,可以肯定和外星人没有什么关系。


类似的一幕在历史上不断上演,就像50多年前,Bell发现了一个周期性射电信号,也有人怀疑这个信号是来自“小绿人 ”(作者注:在五六十年代新闻中经常用“小绿人”代指外星人),而其实它是来自脉冲星。


为什么一提到外星人大家都这么好奇呢?因为作为唯一已知的智慧生命,我们人类都很关心这些问题:外星人存在吗?他们在哪儿?我们能接收到外星人的信号吗?


费米悖论:外星人都在哪儿


1950年,在一个午餐聚会的讨论中,著名物理学家Enrico Fermi 向他的同事提出了一个问题,外星人都在哪儿?我们的银河系有几千亿颗恒星,如果它们都有行星,那么肯定会有智慧生命存在,宇宙的历史那么长,如果这些智慧生命一直存续下去,他们早已经能够遍布整个银河系了,为什么我们还是没有发现他们存在的证据?这就是著名的“费米悖论”。不过,据说这些论点并不是费米提出的,而是天文学家Michael Hart和物理学家Frank Tipler先后提出的。


(图片来源:作者自制,借用哈勃极深场图像制作)


后来,还有不少科学家基于一些假设计算一个智慧文明殖民整个银河系需要多少时间。James Trefil 和Robert Rood认为只需要3000万年,而Carl Sagan计算出需要50亿年。当然这些数字的实际意义并不大,因为计算基于的很多假设不确定性太大。虽然“费米悖论”还存在争议,但是人类一直孜孜不倦地追问和费米同样的问题:外星人都在哪儿?


德雷克方程:我们能接收到多少地外文明信号?


早在人类刚刚开始使用无线电波的年代,当时的科学家们比如Heinrich Hertz, Nikola Tesla和Guglielmo Marconi就很有预见性地认为,无线电波可以作为行星际之间的通讯手段。1919年,Marconi在一次实验中接收到一个奇怪的信号,他试图研究这个信号是不是来自火星,当时还引起了很大的社会轰动,因为在那个年代火星人还是各种科幻故事的主角。一百年后,大家依旧对“奇怪”的射电信号有着浓浓的兴趣,只不过主角在不断地变换。


1958年刚刚从哈佛大学毕业的博士Frank Drake来到了Green Bank天文台,刚开始Drake只是寻找一些普通的天体作为射电天文的观测对象。比如在1959年他第一次发现了由于木星的磁场捕获带电粒子产生的辐射带。


同年,Giuseppe Cocconi 和 Philip Morriso在《自然》杂志发表了一篇题目为《Searching for Interstellar Communications》 论文建议利用射电望远镜搜寻有特征的窄带射电信号,这种信号可能来自外星文明的通讯,而且他们建议天文学家在1420兆赫兹这个频率进行搜寻,因为这个频率对应于氢原子的发射线,而氢是宇宙中最为普遍的元素。这篇文章为之后搜寻地外文明的试验指明了一个方向,可以说是该领域奠基性的论文。


也许受到这篇文章的启发,Drake和他的同事们进行了一个名为“Ozma”的研究项目,将一个口径25米的射电望远镜指向了邻近[2] 太阳系的两颗恒星Tau Ceti 和 Epsilon Eridani。他们在两个月的观测中确实接收到了一些不同寻常的信号。不过,后来仔细分析,他们发现信号是来自高空飞行的飞机。这个项目是有科学记录的人类第一次开展搜寻地外文明的试验,从此拉开了人类搜寻地外文明的序幕。


在1961年的一次关于搜寻地外文明的小型研讨会上,Drake提出了著名的Drake方程这个方程第一次定量的估计了我们能接收到地外文明信号的数量,它考虑了恒星形成,行星形成以及一些其它影响智慧生命存在和发展的因素。


这个方程写成:


N = RfpNeflfifcL


其中N是银河系中能够被探测到电磁波信号的文明的数目,R是平均恒星形成率,fp是存在行星的恒星比例,Ne是适宜生命的行星数目,fl是在这些宜居行星中确实出现生命的比例,fi是其中出现智慧生命的比例,fc是智慧生命拥有星际通讯能力的比例,L是这样的文明持续发射电磁波信号的时间。


Drake方程 (图片来自于seti.org)


根据这个方程,Drake非常粗略地推测银河系内N大约为10000,也就是说,人类大约能收到10000个不同的“外星人”发出的信号。其实除了恒星形成率,其它参数在当时连一个靠谱的猜测都没有,比如直到90年代,人类才第一次发现太阳系外的行星,何谈估计存在行星的恒星比例,因此Drake估计的数字并没有太大的参考意义(感兴趣的可以在这个网站自己计算一下)


但是Drake方程第一次引领人们科学的思考搜寻地外文明的问题,把一个看似无从下手的问题,转变为一个个可以估计的参数。后来Drake成为搜寻地外文明领域奠基者之一,被称为“搜寻地外文明科学之父”。2001年,SETI研究所成立[3] 了一个奖项就是以Drake的名字命名,用以奖励在地外文明搜寻方面做出突出贡献的科学家。


搜寻地外文明:争议与探索


即使存在使用无线电波进行通讯的地外文明,我们也不知道他们在哪儿、他们使用什么频率进行通讯。因此这种观测需要搜寻很多的天区同时需要搜寻很宽的频率范围(不是仅仅局限在氢线的频率),花费大量的观测时间,当然,也需要很多钱……


NASA曾经在七十年代开展了一系列有关搜寻地外文明(search for extraterrestrial intelligence,SETI)的项目,但是在1981年被国会叫停了,有参议员认为SETI项目不可能得到什么结果,是浪费纳税人的钱;在著名的天文学家Carl Sagan的游说下,国会于1983年又重新恢复了资助。


1992年10月12日,NASA开始了一个名为“高分辨率微波巡天”(High Resolution Microwave Survey)的项目,目的就是搜寻地外文明信号,这一天是哥伦布发现美洲的日子,选在这天可见NASA的用意深远。这个项目为期10年,预算为1亿美元,包括两个部分:全天巡天和定点搜寻。其中定点搜寻是利用口径300米的Arecibo射电望远镜针对邻近的恒星进行监测,这是当时世界上最大的射电望远镜。但是项目运行了一年之后,国会就中止了资助,同样还是有议员认为SETI项目没有结果。这一中断竟然长达25年,直到2018年,国会才给了NASA 1千万美元用于搜寻地外文明的项目。


除了美国,其他国家也有过搜寻地外文明的项目,主要是前苏联。他们于1971年和1981年分别在亚美尼亚和爱沙尼亚举行过相关的国际会议。在美国,除了政府资助的NASA,民间也有很多大学和研究机构开展了很多搜寻地外文明的项目。


图片来源:视觉中国


1984年11月,Tom Pierson和Jill Tarter成立了一家名为SETI研究所的非盈利性组织,从名字就能看出来,该研究所主要目标就是搜寻地外文明。它的第一任理事包括 Frank Drake, Andrew Fraknoi, Roger Heyns, and William Welch,其中Drake是理事会主席。后来包括 Carl Sagan, Lew Platt和 诺贝尔奖获得者Baruch Blumberg(1976年生物医学奖) 和Charles Townes(1964年物理学奖)都曾经是理事会成员。


SETI研究所曾经承担了很多NASA的和搜寻地外文明相关的研究项目, Jill Tarter还曾担任“高分辨率微波巡天”的项目科学家。当NASA的相关研究经费被终止之后,这些人在SETI研究所另起炉灶,成立一个名为“凤凰”的项目(Project Phoenix),由Jill Tarter领导,该项目的经费大多来自于私人捐助,其中包括很多当时科技界的大佬,比如英特尔的联合创始人Gordon Moore,惠普的联合创始人Bill Hewlett和微软的联合创始人Paul Allen。


可以认为“凤凰”项目是被NASA砍掉的“高分辨率微波巡天”项目的继任者,该项目采用的观测策略是定点搜寻,先后利用澳大利亚64米的Parkes望远镜、Green Bank天文台的42米射电望远镜和Arecibo望远镜进行观测。


由于Arecibo望远镜观测时间分配很紧张。“凤凰”项目在6年之间只观测了100多天。SETI研究所希望拥有望远镜专门用于搜寻地外文明的观测。科学家们计划建造一个拥有350面天线的射电望远镜阵列,这个望远镜以赞助者Paul Allen的名字命名,叫做Allen Telescope Array,简称ATA。这是一个非常庞大的项目,不可能一蹴而就,他们决定先建设一个小的阵列,然后逐步扩大。2007年,第一批42面天线建造完成,每个天线的口径为6米。ATA是第一个专门为了搜寻地外文明信号所设计的大型射电望远镜。


Allen Telescope Array (图片来自于Seth Shostak/SETI Institute)


SETI@home:找外星人,人人上阵!


除了望远镜和观测时间,SETI的研究还面临一个问题--数据分析。因为细致地分析数据所需要的计算能力实在太大,当时他们没有经费建造或者购买一台拥有这样强大能力的超级计算机。加州大学伯克利分校的两个计算机科学家David Gedye 和 Craig Kasnov想到了用分布式计算来解决这个问题。


1999年,他们上线了一个名为SETI@home的项目,想利用联网的个人电脑来帮助分析Arecibo望远镜的观测数据,这些数据来自加州大学伯克利分校的一个SETI项目,名为“SERENDIP”(Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations)。把软件安装在个人电脑上,当电脑闲置的时候,这个软件就会自动下载数据,然后进行分析,产生一些图像,看起来就像屏幕保护一样。坐在家里就能搜寻外星人的信号,这个想法让人听起来就觉得很酷,所以该项目上线之后,民众的热情非常高,吸引了数百万的用户使用。


SETI@home的软件产生的数据分析图像 (图片来源:SETI@home, UC Berkeley SETI Team)


SETI@home可以说是最为成功的一个公众参与的分布式计算项目,后来科学家以此为基础开发了一个名为BOINC的分布式计算平台,用于不同学科的分布式计算,比如生物医学、药物研发、数学、密码学甚至大型强子对撞机的数据分析。2005年,SETI@home项目也转到BOINC平台上,一直运行到现在。


更宏伟的计划:“突破聆听”


2015年,俄罗斯的亿万富翁Yuri Milner发起了一个名为“突破计划”(Breakthrough Initiatives)的项目,联合多位著名的科学家,包括Stephen Hawking、Martin Rees、Ann Druyan和Frank Drake,旨在寻找一个问题的答案:Are we alone ?其中的一项计划名为“突破聆听”(Breakthrough Listen),就是利用望远镜搜寻地外文明的通讯信号,这项计划将耗资1亿美元,搜寻距离我们最近的1百万颗恒星以及距离最近的100个星系,这将是迄今为止最为庞大的搜寻地外文明计划。


图片来源:shutterstock


这些观测已经相继开展,使用的望远镜包括100米的GreenBank,64米的Parkes等射电望远镜,还利用Lick天文台的APFT(Automated Planet Finder Telescope)望远镜试图搜寻地外文明的光学激光信号,因为激光也是一个很好的通讯手段,地外文明也有可能使用激光进行通讯。


零记录:外星人“信号”还没有出现


很多人看到这里,都会想问,你说了这么多,我们人类到底有没有接收到外星人的信号?很遗憾,答案是没有。


虽然科学家们付出了这么多努力,探测到过很多“有趣”的信号(包括开头提到的快速射电暴),但是迄今还没有确切的证据表明有信号是来自地外文明。但是我们也只拥有有限的几种手段,搜寻了很小一部分范围。对此,Jill Tarter打了一个很好的比喻,“如果你的问题是,‘海里有鱼吗?’你舀了一杯水,看了看没有鱼,我觉得你不会因此就得出结论说海里没有鱼。”


当然也有一些“疑似”的事例,最著名的就是1977美国天文学家Jerry Ehman发现的“Wow!”信号,它的频率就在1420兆赫兹,但是这个信号只持续了72秒,而且之后在那个方向上就再也没有探测到过。在2012年,“WoW!”信号发现35周年之际,受国家地理频道的请求,Arecibo天文台向“WoW!”信号的方向发射了一束无线电波,包含了10000条Twitter的信息。


“Wow!”信号 (来自Ehman的手稿。红圈中的“6EQUJ5”代表信号信号强度随时间的变化。)


还有一些其它的“疑似”事例最终被证明是来自我们人类的信号,比如Drake最早的搜寻。最近的一次发生在2016年,俄罗斯和意大利的天文学家宣称利用俄罗斯的一个射电望远镜接收到一个“可能”的外星文明信号,来自在一个距离我们94光年远的和太阳类似的恒星HD164595,而且这颗恒星是有行星围绕的,后来其它的射电望远镜也对该恒星进行了观测,但是没有探测到类似的信号,最后该信号被认为是来自一颗军方的卫星。


奇怪的天体:特殊的搜寻对象


虽然没有搜寻到外星人的信号,但是最近几年天文上有好几例有趣的发现都和外星人扯上了关系,成为SETI的搜寻对象。


恒星KIC 8462852 


2015年天文学家Tabby Boyajian发现了一颗光变模式非常诡异的恒星KIC 8462852,各种模型都无法解释它的光度变化,宾夕法尼亚州立大学的副教授Jason Wright提出了这有可能是高级的外星文明建造的类似戴森球的结构,用于收集恒星的能量,当然我们现在还无法验证这种说法。


Wright和Boyajian一起合作,利用不同的望远镜继续对这颗恒星进行监测,他们也使用射电望远镜搜寻来自这颗恒星的窄带射电信号,SETI研究所也利用ATA望远镜进行了搜寻,但是都没有找到。加州大学伯克利分校的Nate Tellis在2017年利用Keck望远镜搜寻它的光学激光信号,也没有探测到。但是恒星KIC 8462852依然是SETI领域一个热门的观测对象。


假想的戴森球结构(图片来源:capnhack)


天体Oumuamua  


2017年,天文学家第一次发现了一颗来自太阳系外的小天体,后来被命名为“Oumuamua”,夏威夷语中意思是“远方的信使”。这个太阳系外的访客激起了天文学家浓厚的兴趣,很多的大型望远镜都对它进行观测。


它是一个类似雪茄形状的长条形,估计它的长度可能是几百米,由于走位太过于风骚,天文学家很难解释它的运动轨迹。Jason Wright认为它可能是一艘损坏的外星人飞船,哈佛大学的著名教授Avi Loeb在一篇论文中认为它可能是靠太阳辐射压驱动的外星人飞船,当然这些说法都还只能停留在理论推测上。射电望远镜同样对“Oumuamua”进行了射电信号的搜寻,包括ATA和GreenBank望远镜,但是也没有发现什么信号。


Oumuamua的假想图 (图片来源:ESO/M. Kornmesser)。


虽然历史上很多“神秘”的现象最终都被证明是自然原因造成的,而非外星人所为。但是Jason Wright认为,在搜寻地外文明领域,将天文上不同寻常的现象作为搜寻对象,是一个非常合理的策略,我们就应该重点关注天体物理不能解释的现象,如果存在大自然的机制不能产生的现象,才有可能认为是智慧文明所为。


不过对于科学家来说,把这些不能解释的现象都归结为外星文明,面临着科学哲学方面的问题,因为这种假说很难甚至根本不可能被证伪。正如Jason Wright在他的博客中写道的那样:“对于这些无法解释的现象,外星人假说应该作为我们最后寻求的解释”。


写在最后的话


搜寻地外文明注定是一条漫长的路,也许我们永远无法到达终点,但是我想用Carl Sagan的一句话作为结尾:“宇宙实在太大,如果只有我们人类,好像有点太浪费空间了。”


参考资料:

1. history.nasa.gov/garber.pdf

2. the-fermi-paradox-is-not-fermi-s-and-it-is-not-a-paradox

3. seti-technosignatures-nasa-jill-tarter

4. history-seti-institute

5. seti-institute/project/details/project-phoenix

6. seti.org

7. break through initiatives

8. wikipedia.Wow!_signal

9. wikipedia.KIC_8462852

10.wikipedia.BBOumuamua


本文来自微信公众号:科学大院(ID: kexuedayuan),作者:闫震。头图来自:东方IC。
*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
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