如何尋找地外文明

文/ 物質第四態

當我們仰望星空時，會產生一種自然而然的疑問：在浩瀚的太空中，我們是唯一的文明嗎？在天文觀測手段不甚發達的年代，人們曾經幻想過太陽系的其他行星上也存在著生命。而當我們逐個揭開這些行星的神秘面紗時，卻發現要想找到宇宙之中的同類，我們不得不將視角望向更加遙遠的太空之中。

▲ 阿雷西博射電望遠鏡

▲ 開普勒空間望遠鏡發現的可能具備宜居條件的系外行星

進行射電觀測

當人們開始用無線電傳播信號之后，人們自然而然地聯想到，既然無線電信號可以跨越大洋，將信息送到遙遠的地方，那么外星人也有可能利用無線電信號，將文明的信息傳播到宇宙的其他位置。在無線電通信技術投入使用后不久，就有科學家開始了探索外星信號的嘗試。

在19世紀末20世紀初，相繼有物理學家特斯拉、無線電技術的先驅馬可尼等人先后宣稱自己發現了來自火星的信號。那時，即便最好的望遠鏡也只能勉強分辨火星表面的地形地貌，而與地球相似的山峰與河流讓人們紛紛暢想火星人的存在。一旦奇怪的無線電信號與火星的出現有著一丁點的關聯，人們自然而然地會聯想到這是否是來自火星人發出的信息。1924年，當火星與地球的距離變得相對接近時，美國在8月21日到8月23日開展了“全國廣播靜默日”活動，所有廣播電臺每小時靜默5分鐘，為收聽火星人的信號提供一個“安靜”的環境。不過，以我們今天的探測結果看，火星表面并沒有文明存在，這些努力當然也沒有結果。

▲ 開普勒空間望遠鏡

當射電天文學在上世紀初誕生后，射電天文學家們很快意識到，這些射電望遠鏡不但可以捕捉到來自天體物理過程的自然信號，也有可能捕捉到地外文明發射的人工信號。1960年，康奈爾大學的天文學家德雷克提出了“水洞”的概念。他認為，如果其他文明與我們具有相同生命體構成方式，自然會對“水”這種物質情有獨鐘。在1.4GHz附近，有一個位于氫元素和氫氧元素構成的無線電譜線之間的區域，剛好可以用來疊加上人工信號。雖然德雷克自己在當時對幾顆恒星附近的搜索一無所獲，但“水洞”的概念深刻影響了后來對地外文明的搜索，目前仍是首選的頻段之一。

1957年，美國自然科學基金會資助俄亥俄州立大學建起了專用于地外文明搜索的射電天線，這可能是最早的地外文明資助項目。1971年，美國宇航局也加入到對地外文明監聽的資助行列中來。

從1980年起，相關的研究者開始獲得相對穩定的資助。1971年，甚至有研究者提出了“獨眼巨人”計劃，建設1000面100米口徑組成的巨大射電望遠鏡陣列，專門進行地外文明射電信號的搜索，總預算高達100億美元。然而，這樣宏大的設想很難得到資金支持，而地外文明的搜索也一直沒有取得突破性的進展。直白點兒說，就是一伙外星人都沒有找到。

上世紀90年代初，美國宇航局每年撥給有關研究的經費曾經一度高達每年1000多萬美元。但遲遲看不到成果后，這些資助在1994年戛然而止。

之后，用來尋找地外文明的射電天文觀測幾乎得不到來自公共領域的資助。不過，好在不少對地外文明存在濃厚興趣的“土豪”們慷慨解囊，支撐了上世紀90年代到現在的不少觀測計劃。微軟的聯合創始人保羅·艾倫和英特爾公司創始人高登·摩爾各支持了使用包括阿雷西博望遠鏡在內等大型射電望遠鏡的“鳳凰計劃”。

▲ “旅行者號”搭載的金唱盤

從1994年到2004年，該計劃在1.2～3GHz頻段內對大約250光年內的800多顆恒星進行了窄帶觀測，但其探測到的數百萬個“信號”都被認證為源自地球的干擾信號。2015年，物理學家出身的俄羅斯企業家尤里·米爾納發起“突破倡議”，承諾出資1億美元，推動包括“突破聆聽”計劃在內的多個與地外生命探索相關的研究計劃。在這些計劃的開展中，天文學家們也“精明”地不再謀求建設專用的大型射電望遠鏡，而是通過與其他研究分享望遠鏡觀測時間的方式，來獲得觀測機會。

尋找地外行星

除了使用射電望遠鏡聆聽太空中的信號外，人們還在沿著另一條道路搜尋地外文明的存在。我們目前能認識到的智慧生物，必然無法在恒星上生存，因此發現太陽系以外的行星是找到他們存在的第一步。雖然人們對系外行星的猜想早就存在，但到了1995年，人們才發現了第一顆系外行星。2011年，開普勒空間望遠鏡的升空使系外行星的發現迎來了大爆發。

當一顆行星恰好處于它所圍繞的恒星和地球之間時，我們從地球上觀察到的恒星亮度就會因為行星的遮擋而發生微小的降低。一旦行星因為公轉而離開恒星與地球之間的位置，我們觀察到的恒星亮度則又會恢復到平常的水平。通過觀測恒星這樣的亮度變化，就可以確定恒星周圍是否有潛在的行星，這是凌日法探測系外行星的基本原理。開普勒空間望遠鏡擁有由42塊CCD感光元件組成的巨大CCD陣列。在整個任務期間，開普勒空間望遠鏡對準天鵝座所在的天區，連續記錄了銀河系中心附近的15萬顆恒星的亮度，供科學家們尋找系外行星存在的蛛絲馬跡。

開普勒空間望遠鏡總共確定了2300顆系外行星的存在，還將4500個天體列入了潛在的系外行星范疇。隨著開普勒空間望遠鏡數據的分析和獲取，天文學家們驚訝地發現太空中幾乎到處都有行星存在。在太陽系中，不存在個頭介于地球和海王星之間的行星，但在其他恒星周邊這樣的行星卻有不少。這表明，宇宙實際上是個行星的大寶庫。在這些行星中，最有可能孕育生命的是處于宜居帶中的行星。這些行星與恒星的距離，可以允許液態水的存在，為與我們類似的生命的存在提供了基本條件。

▲ 水洞的頻段

▲ “先驅者號”上面的人類信息板

2011年12月5日，天文學家利用開普勒空間望遠鏡，首次發現了一顆距離地球約600光年的宜居帶系外行星開普勒-22b。這顆行星的表面溫度約為21-22攝氏度，公轉一周的周期大概290天，與地球相似度極高。

近年來，我們時常會在新聞中看到“超級地球”發現的消息。實際上，這些消息報道的僅僅是科學家發現了又一顆某些方面與地球類似的系外行星，并不意味著那里的情況和地球全面相似。實際上，有液態水存在僅僅是孕育生命所必須的諸多條件中的一個，我們尚未能完全證認某顆系外行星完完全全適合生命存在。

▲ 在各類科幻作品中，人們幻想了許多地外智慧生物的模樣。不過對于他們真正的形態，人類目前仍然一無所知

主動發射探測器

尋找地外文明的另一個途徑，是主動發射探測器，帶去關于地球的訊息。

在上世紀70年代，美國相繼發射了“先驅者10號”“先驅者11號”“旅行者1號”“旅行者2號”4個探測器。這4個探測器在完成各自對于太陽系外行星的探索之后，都繼續飛向了太陽系以外。雖然在茫茫太空中與地外文明相會的機會十分微小，但設計它們的天文學家和工程師們還是為這種接觸做了準備。在“先驅者10號”和“先驅者11號”上，一個鋁合金板被附加到探測器上，以提示捕獲這艘探測器的地外文明，這艘探測器來自何處。

在宇宙中，存在著一種被命名為脈沖星的天體。這種天體最大的特征是能夠向外發射周期十分穩定的信號。在“先驅者10號”和11號所攜帶的鋁合金板上，標識了14顆脈沖星，以及太陽與他們的相對位置。這些脈沖星的輻射頻率都是獨特的。如果捕獲這個探測器的文明與我們具備同樣的科技水平，他們就能從已經觀測到的脈沖星中數據中確定這些脈沖星到底是哪幾顆，進而確定太陽系的位置。鋁合金板底部的示意圖進一步說明了這個探測器來自于太陽附近的第三顆行星，也就是我們的地球。“旅行者1號”和“旅行者2號”的金唱盤內存入了更加豐富的信息，但標示地球位置用的是同一種方式。

▲ 浩翰無垠的星空

目前，地球上通用時間單位“秒”和長度單位“米”，都是通過全世界共同制定并遵守的標準來確定的。顯然，不能用人類自己規定的單位來向外星人描述，科學家們再次想到了用自然現象來傳遞單位信息。他們在圓盤上用簡圖標識了氫原子內自旋躍遷的圖像。按照我們目前對宇宙的認識，氫是宇宙中存在最廣泛的物質，其原子結構也最簡單。在圖像下方，有一條短的直線，用以表示二進制里的“1”。這個躍遷的周期為0.704納秒，發出的電磁波波長為21.106厘米。在標示脈沖星的周期和與地球的距離時，氫原子自旋躍遷的這兩個特征量被用作了時間和長度的單位。以我們目前對物質世界的認識，外星人所觀察到的氫原子自旋躍遷現象應該有著一樣的特征，而二進制又是一種容易理解的數學表達。他們的科技水平如果與我們相當，應該能夠明白我們所要傳遞的信息。★