新技術助力尋找外星文明

劉聲遠

雖然60年來并未接收到確切的外星無線電信號，但科學家在尋找外星智慧生命方面沒有停步。

在1960年4月中的大約一周時間里，美國射電天文學家德雷克認為自己可能發現了外星人。這一年的4月8日，他把美國國家射電天文臺新的26米直徑望遠鏡對準一顆恒星——天苑四。幾分鐘后，這部望遠鏡的讀數裝置（一種用筆把接收到的信號特征繪在紙上的儀器）瘋狂繪圖，與望遠鏡相連的一只揚聲器響起一連串強烈脈沖音，正如德雷克設想的外星文明信號。他驚呆了：尋找外星人真的這么容易？

答案是否定的。幾天后，當這部望遠鏡再次接收到同樣的信號時，一部指向不同方向的無線電天線也收到了這一信號。最終發現，該信號并非來自外星，而是來自地球上的一個來源，例如—架飛機。

當時，在兩個月時間里，德雷克不僅觀測了天苑四，還用另一部望遠鏡觀測了另一顆恒星——天倉五，但他在尋找地外文明（也稱外星文明）方面沒有任何成效。盡管如此，他在這方面的嘗試卻引來了越來越多的跟風者。雖然后來科學家對外星文明的找尋一度退潮，但一系列天文學新發現和新技術讓人們在這方面的興趣再次被提起。越來越大、越來越好的望遠鏡正在望向更遠的太空，在比原來寬得多的頻段對越來越多的恒星進行探測。復雜、先進的計算工具，正在審視通過這些探測得到的數據包。全球各地天文臺正在參與一個投資巨大、規模最大的尋找外星文明項目——“突破聆聽”。為此，這些天文臺定期進行這方面的觀測。

天空之眼

過去幾十年中，尋找外星人的步伐大大減緩。例如，美國政府在這方面的資助在1993年突然中止，其理由是“尋找外星人已不再是正規科學探索，已經邊緣化”。

但隨著科學家對宇宙演化的認識不斷深入，尋找外星人這個概念也在變化。德雷克當年進行這方面觀測時，科學家并未把目光投向環繞除了太陽之外的其他任何恒星的行星。而就在過去十年中，科學家發現了好幾千顆系外行星（太陽系之外的行星）。對至少一部分科學家來說，這意味著存在地外生命（也稱外星生命或外星人）的可能性幾乎達到100%。

2020年2月，“突破聆聽”發布了有關尋找外星文明的迄今最大觀測數據包供科學家分析。在這個由全球多個天文臺聯合提供的數據包中，包含對來自銀河系圓盤和銀河系核心超大質量黑洞周圍區域射電信號的調查數據。

科學家認為，要想找到外星文明，星系中心很重要，因為某些超級發達的外星人可能會在星系中心附近建造由超大質量黑洞充電的超強無線電發射器。但為了找到無線電設備和我們的設備相當、不那么超級發達的外星人，一些科學家探測的是附近的恒星系統，例如太陽的20個同類伙伴（類太陽恒星）。所有這些恒星相對于地球的位置，都能讓在恒星周圍的行星或衛星上可能存在的外星人看見環繞太陽的地球，因而可能會向地球發送信息。雖然這些科學家最終都空手而歸，但只能說明他們所找尋的這些為數不多的恒星周圍可能不存在外星文明。銀河系非常大，其中可能存在外星人的地方也很多，因此，如果不把銀河系中每顆恒星周圍都找遍，就不能斷言銀河系中不存在外星人。

未來幾年中，“突破聆聽”將開始探測銀河系中的其他很多地方。例如，位于南非的一個望遠鏡陣列已準備好調查太陽附近的100萬顆恒星。

建造更好的過濾器

對于望遠鏡帶來的超大量探測數據，科學家必須進行分析和過濾，對同樣的數據還需要多次分析。幸運的是，新的計算機算法能夠重新分析過去的觀測數據，尋找之前被忽略的信號。事實上，在射電天文學中，最有趣的那些發現經常來自對數據的第二次甚至第三次分析，而非第一次分析。例如，首次發現來自遙遠星系、被稱為快速射電暴的無線電波短暫強閃，就是通過對舊的望遠鏡數據進行再分析得到的。

對于尋找外星人來說，一個持久的挑戰是必須研發能把潛在的外星人信號與地面無線電干擾信號區分開的技術。事實上，科學家要尋找的外星人信號可能與人造電氣設備發射的無線電信號相似。這類信號與自然源頭（例如恒星或星系）發射的無線電信號明顯有別：來自自然源頭的無線電信號會隨時間推移逐漸改變，而可能的外星人信號和人造電氣設備信號卻不會。可能來自深空外星人的無線電信號與來自手機或人造衛星的無線電信號很相似，那么科學家面臨的挑戰是怎樣才能把兩者區分開。

方法之一是先把望遠鏡指向—個目標（例如一顆恒星），然后再指向別處。但望遠鏡從這兩個方向接收到的信號，都可能是人造無線電干擾信號。常規計算機算法通過比較在每次觀測中探查到的信號能量水平的不同。來分析來自兩個方向的信號差異。但如果來自遙遠處的外星人信號微弱，被地球天空信號覆蓋，這種算法就可能區分不了從兩個方向來的信號，而是把它們都視為地球信號。

一些科學家希望，在區分這兩個方向信號的微妙差異方面，人工智能能優于死板的能量探測算法。為此科學家先向一個機器人出示來自一部望遠鏡的數千次恒星觀測信號，讓它學會區分觀測信號和人工技術干擾信號。這樣一來，機器人就學會了識別混入恒星觀測信號中的人造噪聲信號。如果機器人發現疑似來自恒星的無線電信號，科學家就會調查信號的源頭。

尋找激光

尋找外星人的科學家關注的焦點是無線電波，但無線電波并不是發送星際信息的唯一方式。外星人也有可能在納米激光脈沖當中編碼信息。雖然早在1961年激光就被認為是潛在的星際通信工具，但科學家在尋找外星人時大多遵循德雷克的方法——尋找無線電信號，其中一部分原因是無線電波為低能量，星際郵件采用無線電波來打包的成本較低。

但如果把可見光聚焦成一條窄窄的激光束，那么可見光也可能成為一種星際通信手段。當一大堆光子一次性擊中望遠鏡，而不像來自背景星光的光子那樣如滑涓細流持續、穩定地擊中望遠鏡，就可能探測到快速激光閃耀。納米激光脈沖的亮度遠超周圍的恒星。目前沒有任何已知的天體物理源頭能產生納米激光信號，而通過可見光尋找外星人的技術也處在非常初級的階段。但綜合運用可見光和無線電信號，能提升科學家尋找外星人的能力。

“泛尋”團隊

2019年7月，位于美國亞利桑那州弗雷德·勞倫斯·惠普爾天文臺的“真相”望遠鏡陣列加入“突破聆聽”。該陣列的建造目的，是探測由天體物理伽馬射線擊中地球大氣層而產生的切倫科夫藍光的短暫閃耀。不過，該陣列配備的快速相機也很適合尋找外星人的激光束。

“真相”團隊不僅對恒星進行新的可見光觀測，而且對該陣列過往探測數據進行重新分析。其中一些再分析已經產生結果，但卻令一些人失望。例如，根據2016年的一份科學報告，對“真相”陣列2009～2015年對塔比星的總共9小時觀測數據的再分析沒有發現外星人的激光信號。一些科學家對此感到失望或不認同，因為他們推測這顆恒星周圍有外星人建造的超巨大建筑環繞。他們的理由是：塔比星有奇怪的周期性變暗現象，而這種變暗可能是因為超巨大建筑運行到塔比星正前方，從而擋住了塔比星的部分星光，因此從地球上的觀測角度看去這顆恒星就變暗了。

科學家希望，憑借新觀測設備能大大提升通過可見光尋找外星人的能力。之前在這方面的找尋（包括“真相”陣列的觀測）都是一次只觀測一顆恒星幾分鐘。一個團隊已經設計出一種新藍圖：讓4個天文臺致力于持續搜索來自整個可觀測天空的外星人激光信號。2018年，這個被稱為“泛尋”的設計首次公布。按照這一設計，其中每個天文臺的圓頂上都有88個光學和近紅外探測器鏡頭，位于北半球的兩個天文臺負責觀測北部天空，位于南半球的兩個天文臺負責觀測南部天空。在尋找外星人的嘗試方面，對潛在探測信號的雙向檢驗非常重要。因此，不管是在北半球還是在南半球，兩部望遠鏡還會持續觀測天空中相同的區域，由此排除地球光學污染信號。這與兩對相距遙遠的LIGO探測器聯袂找尋被稱為“引力波的宇宙漣漪”的原理相同。