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(dǎo)師）

　　人類是不是宇宙中唯一的智慧生命？究竟有沒有外星人？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(tuán)隊進(jìn)行了一項模擬研究，結(jié)果表明：即便在最樂觀情況下，人類最少要2000年才能夠接收到一次外星人發(fā)來的信號；悲觀情況下，最少需要40萬年才能接收到一次信號。我們把地球以外的智慧生命統(tǒng)稱為外星人（Extraterrestrial Intelligence，簡稱ET）。1950年，來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？為何至今沒有證據(jù)顯示他們來訪過地球？”這就是著名的費米悖論——如果外星人真的存在，我們?yōu)楹螐奈唇邮盏酵庑侨说男盘?？要想科學(xué)地尋找外星人，必須從天文學(xué)出發(fā)。隨著19世紀(jì)電磁輻射的發(fā)現(xiàn)及20世紀(jì)天文射電望遠(yuǎn)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)中的一個重要領(lǐng)域。

　　尋找外星人，這是一項嚴(yán)肅的科學(xué)研究

　　隨著地球上無線電波的廣泛應(yīng)用，人們開始猜測，也許外星人也擁有無線電技術(shù)，并向宇宙中發(fā)射廣播信號，那么就可以通過捕捉外星人發(fā)出的無線電信號來證明他們的存在。

　　1959年，Phillip Morrison和Giuseppe Cocconi兩位天文學(xué)家設(shè)計了一個思想實驗，即把世界上最強(qiáng)大的雷達(dá)發(fā)射器對準(zhǔn)一個巨大的接收天線，計算發(fā)射器和接收器建立無線電連接的最遠(yuǎn)距離。結(jié)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），也能接收無線電信號。這一結(jié)果促使兩位科學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表了一篇論文，探討外星人無線電通信的問題——既然捕捉信號可行，應(yīng)該捕捉什么頻率的信號呢？Cocconi和Morrison提出在無線電頻段一個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；另一個頻段是1400MHz-1700MHz（OH）。由于氫和羥基結(jié)合會形成水，所以其輻射發(fā)射的頻率被稱為“水洞”。他們認(rèn)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，F(xiàn)rank Drake進(jìn)行了第一個關(guān)于地外文明搜尋計劃（Search for Extra-Terrestrial Intelligence，SETI）的無線電觀測，稱為奧茲瑪項目。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(yuǎn)鏡，搜尋了距離我們分別為10.2光年和11.9光年的天衛(wèi)二和天衛(wèi)五兩顆類太陽恒星氫頻率附近的無線電信號。然而一無所獲。

　　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60次搜索，累計搜索時間超過20萬個小時。

　　美國國家航空航天局(NASA)的科學(xué)家于1992年利用射電望遠(yuǎn)鏡搜尋外星信號，搜尋工作主要由兩個團(tuán)隊開展。其中一個團(tuán)隊在艾姆斯研究中心采用“目標(biāo)搜尋”技術(shù)在1GHz-3GHz頻段檢測距離地球80光年處的約800顆類太陽恒星，而另一個團(tuán)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(yuǎn)鏡群中的34米射電望遠(yuǎn)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(biāo)搜尋”改名為“鳳凰計劃”于1995年重新開啟，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(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。1998年，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡參與到“鳳凰計劃”的搜尋中，它是當(dāng)時世界上最大的單面口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，其直徑達(dá)到305米?！傍P凰計劃”在其工作的近10年期間觀測了距離地球200光年的約800個恒星系統(tǒng)，頻率覆蓋范圍為1200-3000MHz，是無線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比制造一個特大天線成本更低，且天線陣列能夠在給定的時間內(nèi)觀測更多目標(biāo)，在微軟聯(lián)合創(chuàng)始人Paul Allen的資金支持下，建造了第一個專門用于SETI觀測的射電望遠(yuǎn)鏡——艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列。艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列由42個碟形天線組成，可以同時收聽7200萬個1Hz的無線電頻道。艾倫望遠(yuǎn)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(jì)90年代世界各國陸續(xù)開展了很多關(guān)于SETI的觀測項目。

　　值得一提的是，F(xiàn)rank Drake在綠岸天文臺一次討論地外智慧生命的會議上提出可以用一個方程來估算銀河系內(nèi)外星文明的數(shù)量，也就是著名的德雷克方程N=R*fpneflfifcL。其中，N是銀河系中外星文明的數(shù)量；R*是銀河系的恒星形成率；fp是具有行星系統(tǒng)的恒星比例；ne是每個太陽系中具有適宜生命生存環(huán)境的行星數(shù)量；fl是這些可以孕育生命的行星中實際發(fā)展出生命的比例；fi有生命的行星中出現(xiàn)智慧生命的比例；fc是出現(xiàn)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，或者說智慧文明掌握可交流技術(shù)后的存活時間。前三項參數(shù)涉及到天文觀測及天體物理學(xué)的發(fā)展，后四項參數(shù)涉及到生物、化學(xué)、社會學(xué)等多學(xué)科并充滿太多的不確定性。

　　這個方程是無解的，但可以提供一種啟發(fā)式的指導(dǎo)。大多數(shù)理論研究試圖改寫德雷克方程的形式或著重研究其中某一項的影響。即使它無法給出準(zhǔn)確的答案但其給出了一個合理的假設(shè)結(jié)構(gòu)，修改或限制其中的每一項參數(shù)時都將帶來新的結(jié)果與思考。

　　人類是否應(yīng)該主動發(fā)送信號

　　隨著地外文明搜尋的深入研究，人們開始意識到除了聆聽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)會議，會議討論了無線電搜索的方法、技術(shù)和聯(lián)系的后果、信息內(nèi)容等等。

　　這些討論很快就付諸實踐——1972年和1973年，美國發(fā)射的先驅(qū)者10號和先驅(qū)者11號太空飛船上分別攜帶著一塊金屬板，稱為先鋒牌匾。先鋒牌匾由Carl Sagan和Frank Drake共同設(shè)計，信息包括太陽在星系的相對位置和太陽系的分布、地球的位置、宇宙飛船的輪廓及男人女人的草圖，這是人類向太空發(fā)送的第一個信息。

　　1974年11月，F(xiàn)rank Drake又帶領(lǐng)團(tuán)隊利用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡向距離我們約25000光年的球狀星團(tuán)M13發(fā)送了一個無線電信息，稱為“Arecibo Message”。內(nèi)容包括五個具有生物學(xué)意義的原子(H，C，O，N，P)；一個DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的示意圖；對人、太陽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，同時選錄了來自不同文化和時代的音樂以及55種古代和現(xiàn)代語言的口語問候，此外還用摩斯密碼編寫了“沖破黑暗迎向光明”這樣鼓舞人心的信息；唱片同時收集了116張圖像，涉及數(shù)學(xué)和物理量、太陽系及其行星、DNA、人類解剖和生殖，除了人類的拍攝照片外還包含一些動物、昆蟲、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確定唱片記錄的年齡。

　　然而，關(guān)于人們應(yīng)該被動地尋找外星文明留下的技術(shù)簽名還是主動向太空發(fā)出信號一直存在爭議。包括霍金在內(nèi)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？主動發(fā)射信號會不會讓他們來掠奪地球資源？主動發(fā)送信號后可能帶來的負(fù)面結(jié)果理應(yīng)需要全人類謹(jǐn)慎的思考。

　　尋找外星人的新進(jìn)展

　　近年來國內(nèi)外都在積極推進(jìn)SETI的發(fā)展。2016年國外正式啟動“突破聆聽計劃”(Breakthrough Listen Initiative, BLI)。BLI是一項預(yù)計開展10年、耗資1億美元的地外智慧生命搜尋計劃，旨在通過無線電及光學(xué)技術(shù)對銀河系及其附近的100個星系進(jìn)行搜索。BLI目前正在使用綠岸望遠(yuǎn)鏡及Parkes望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST)開展合作。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，通過使用配置在望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)后端的FAST-SetiBurst來進(jìn)行對SETI的研究。相比于曾經(jīng)最大的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST可以在相同時間內(nèi)接收到更多來自不同天空位置的信號，同時有著更高的靈敏度，能夠探測到更加暗弱的天體。相信FAST在今后的觀測中能夠給我們帶來更多的驚喜。

　　實際上，除了前面所提到的捕捉外星人發(fā)出的無線電信號外，還可以通過其他的間接觀測法來發(fā)現(xiàn)外星人。

　　首先，可以通過觀測恒星的亮度變化來發(fā)現(xiàn)可能的智慧現(xiàn)象。我們知道，行星圍繞著恒星在繞轉(zhuǎn)，當(dāng)行星在視線方向遮擋住恒星時，就會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(shè)施也可能對恒星造成亮度變化。這里，筆者簡單介紹一下“戴森球假說”。1959年，美國物理學(xué)家戴森曾提出，一個高度發(fā)達(dá)的文明，必然有能力向太空中發(fā)射環(huán)繞太陽的能源采集器，甚至可以將太陽用球狀結(jié)構(gòu)包圍起來。那么，類似“戴森球”的巨型結(jié)構(gòu)就可能造成其宿主恒星的亮度變化，體現(xiàn)在恒星的光變曲線，但是這種方法在于要能夠區(qū)分天體物理機(jī)制和人造物體造成的亮度變化。

　　其次，通過尋找其他行星的大氣污染物來發(fā)現(xiàn)外星人。我們知道機(jī)動車的尾氣及化石燃料燃燒會產(chǎn)生污染性氣體，例如二氧化氮。相關(guān)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地球大氣層中的污染物會有很強(qiáng)的吸收譜線，因此通過分析光譜數(shù)據(jù)，可以確定大氣層中的化學(xué)成分，從而發(fā)現(xiàn)是否存在文明造成的大氣污染。

　　再次，也可以通過尋找太空垃圾來發(fā)現(xiàn)外星文明。人類在發(fā)展航空航天時，會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(jié)火箭。高度發(fā)達(dá)的文明也可能產(chǎn)生很多的太空垃圾，通過觀測太空垃圾來發(fā)現(xiàn)外星人。此外，當(dāng)這些太空垃圾數(shù)量過多時，可能會形成一個圍繞行星的行星環(huán)，當(dāng)這個行星環(huán)達(dá)到一定數(shù)量時同樣可能對恒星的亮度變化造成影響。

　　除了觀測的方法，理論上的假設(shè)預(yù)估同樣可以給我們一些啟發(fā)。

　　例如，筆者最近利用假設(shè)外星人的出現(xiàn)率及誕生時間，通過數(shù)值模擬研究了當(dāng)銀河系中存在一定數(shù)量的文明時人類接收到他們發(fā)出信號的概率。模擬結(jié)果表明，樂觀情況下，銀河系整個演化歷史中可能有4萬個外星文明存在，而人類平均需要存活30萬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；悲觀情況下，大約有100多個外星文明存在，平均需要存活5000萬年才能接收到一次其他CETIs發(fā)出的信號，最少則需要40萬年才能接收到一次信號。在銀河系整個演化歷史中，由于誕生時間的隨機(jī)性及交流壽命的限制，可能導(dǎo)致我們跟其他外星文明的生存周期完全錯開，因此人類直到今天還沒有觀測到外星人信號的一個重要原因很可能是我們的交流壽命還不夠長，從而定量解釋了費米悖論。

　　必須指出的是，由于目前沒有觀測數(shù)據(jù)能夠?qū)@些參數(shù)進(jìn)行限制，外星文明的出現(xiàn)概率及誕生時間是不可預(yù)測的，因此理論預(yù)估的結(jié)果存在很大的不確定性。然而，隨著天文觀測的快速發(fā)展，對這類研究進(jìn)行定量計算已經(jīng)成為可能。通過這些定量計算，能夠給我們帶來理論上的預(yù)估，我們才能有效地判斷某些可疑信號是否確實由其他外星人發(fā)出，并利用未來觀測到的信號對其他外星人進(jìn)行有價值的研究，例如我們的研究中提到的外星人的出生率及誕生時間。

　　經(jīng)過約60年的探索，至今我們?nèi)匀粵]有任何的觀測證據(jù)證實宇宙中其他地方有外星人的存在。那么，是否可以認(rèn)定外星人不存在呢？也不能。在沒有經(jīng)過大量的搜索之前，這個問題沒有答案。

　　相關(guān)科學(xué)家將宇宙比喻為一個多維的“宇宙干草堆”，并估算了幾個大型射電SETI項目在“干草堆”中共同搜索過的部分，發(fā)現(xiàn)只搜索了一個微小的參數(shù)空間。這個空間相當(dāng)于在地球上所有的海洋中只尋找了一個大浴缸或小游泳池的區(qū)域，這個區(qū)域沒有外星人，不代表整個宇宙都沒有。

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