我們收到的外星人“信號”是這樣的？

為什么一提到外星人大家都這么好奇呢？因為作為唯一已知的智慧生命，我們?nèi)祟惗己荜P(guān)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？
1950年，在一個午餐聚會的討論中，著名物理學(xué)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恒星，如果它們都有行星，那么肯定會有智慧生命存在，宇宙的歷史那么長，如果這些智慧生命一直存續(xù)下去，他們早已經(jīng)能夠遍布整個銀河系了，為什么我們還是沒有發(fā)現(xiàn)他們存在的證據(jù)？這就是著名的“費米悖論”。不過，據(jù)說這些論點并不是費米提出的，而是天文學(xué)家Michael Hart和物理學(xué)家Frank Tipler先后提出的。

后來，還有不少科學(xué)家基于一些假設(shè)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(rèn)為只需要3000萬年，而Carl Sagan計算出需要50億年。當(dāng)然這些數(shù)字的實際意義并不大，因為計算基于的很多假設(shè)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(dāng)時的科學(xué)家們比如Heinrich Hertz, Nikola Tesla和Guglielmo Marconi就很有預(yù)見性地認(rèn)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(dāng)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。一百年后，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(xué)畢業(yè)的博士Frank Drake來到了Green Bank天文臺，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(fā)現(xiàn)了由于木星的磁場捕獲帶電粒子產(chǎn)生的輻射帶。

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

也許受到這篇文章的啟發(fā)，Drake和他的同事們進(jìn)行了一個名為“Ozma”的研究項目，將一個口徑25米的射電望遠(yuǎn)鏡指向了鄰近[2]太陽系的兩顆恒星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，后來仔細(xì)分析，他們發(fā)現(xiàn)信號是來自高空飛行的飛機。這個項目是有科學(xué)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(guān)于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(shù)量，它考慮了恒星形成，行星形成以及一些其它影響智慧生命存在和發(fā)展的因素。

這個方程寫成：

N = Rf_pN_ef_lf_if_cL

其中N是銀河系中能夠被探測到電磁波信號的文明的數(shù)目，R是平均恒星形成率，f_p是存在行星的恒星比例，N_e是適宜生命的行星數(shù)目，f_l是在這些宜居行星中確實出現(xiàn)生命的比例，f_i是其中出現(xiàn)智慧生命的比例，f_c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(xù)發(fā)射電磁波信號的時間。

根據(jù)這個方程，Drake非常粗略地推測銀河系內(nèi)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(fā)出的信號。其實除了恒星形成率，其它參數(shù)在當(dāng)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(fā)現(xiàn)太陽系外的行星，何談估計存在行星的恒星比例，因此Drake估計的數(shù)字并沒有太大的參考意義但是Drake方程第一次引領(lǐng)人們科學(xué)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(zhuǎn)變?yōu)橐粋€個可以估計的參數(shù)。后來Drake成為搜尋地外文明領(lǐng)域奠基者之一，被稱為“搜尋地外文明科學(xué)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(xiàn)的科學(xué)家。

搜尋地外文明: 爭議與探索

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

NASA曾經(jīng)在七十年代開展了一系列有關(guān)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(rèn)為SETI項目不可能得到什么結(jié)果，是浪費納稅人的錢；在著名的天文學(xué)家Carl Sagan的游說下，國會于1983年又重新恢復(fù)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(fā)現(xiàn)美洲的日子，選在這天可見NASA的用意深遠(yuǎn)。這個項目為期10年，預(yù)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(yuǎn)鏡針對鄰近的恒星進(jìn)行監(jiān)測，這是當(dāng)時世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡。但是項目運行了一年之后，國會就中止了資助，同樣還是有議員認(rèn)為SETI項目沒有結(jié)果。這一中斷竟然長達(dá)25年，直到2018年，國會才給了NASA 1千萬美元用于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(lián)。他們于1971年和1981年分別在亞美尼亞和愛沙尼亞舉行過相關(guān)的國際會議。在美國，除了政府資助的NASA,民間也有很多大學(xué)和研究機構(gòu)開展了很多搜尋地外文明的項目。

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(biāo)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。后來包括 Carl Sagan, Lew Platt和 諾貝爾獎獲得者Baruch Blumberg（1976年生物醫(yī)學(xué)獎） 和Charles Townes（1964年物理學(xué)獎）都曾經(jīng)是理事會成員。

SETI研究所曾經(jīng)承擔(dān)了很多NASA的和搜尋地外文明相關(guān)的研究項目， Jill Tarter還曾擔(dān)任“高分辨率微波巡天”的項目科學(xué)家。當(dāng)NASA的相關(guān)研究經(jīng)費被終止之后，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(lǐng)導(dǎo)，該項目的經(jīng)費大多來自于私人捐助，其中包括很多當(dāng)時科技界的大佬，比如英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人Gordon Moore，惠普的聯(lián)合創(chuàng)始人Bill Hewlett和微軟的聯(lián)合創(chuàng)始人Paul Allen。

可以認(rèn)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，該項目采用的觀測策略是定點搜尋，先后利用澳大利亞64米的Parkes望遠(yuǎn)鏡、Green Bank天文臺的42米射電望遠(yuǎn)鏡和Arecibo望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。

由于Arecibo望遠(yuǎn)鏡觀測時間分配很緊張?！傍P凰”項目在6年之間只觀測了100多天。SETI研究所希望擁有望遠(yuǎn)鏡專門用于搜尋地外文明的觀測?？茖W(xué)家們計劃建造一個擁有350面天線的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，這個望遠(yuǎn)鏡以贊助者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(shè)一個小的陣列，然后逐步擴大。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(shè)計的大型射電望遠(yuǎn)鏡。

除了望遠(yuǎn)鏡和觀測時間，SETI的研究還面臨一個問題--數(shù)據(jù)分析。因為細(xì)致地分析數(shù)據(jù)所需要的計算能力實在太大，當(dāng)時他們沒有經(jīng)費建造或者購買一臺擁有這樣強大能力的超級計算機。加州大學(xué)伯克利分校的兩個計算機科學(xué)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SETI@home的項目，想利用聯(lián)網(wǎng)的個人電腦來幫助分析Arecibo望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自加州大學(xué)伯克利分校的一個SETI項目，名為“SERENDIP”(Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations)。把軟件安裝在個人電腦上，當(dāng)電腦閑置的時候，這個軟件就會自動下載數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析，產(chǎn)生一些圖像，看起來就像屏幕保護(hù)一樣。坐在家里就能搜尋外星人的信號，這個想法讓人聽起來就覺得很酷，所以該項目上線之后，民眾的熱情非常高，吸引了數(shù)百萬的用戶使用。

SETI@home可以說是最為成功的一個公眾參與的分布式計算項目，后來科學(xué)家以此為基礎(chǔ)開發(fā)了一個名為BOINC的分布式計算平臺，用于不同學(xué)科的分布式計算，比如生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)、數(shù)學(xué)、密碼學(xué)甚至大型強子對撞機的數(shù)據(jù)分析。2005年，SETI@home項目也轉(zhuǎn)到BOINC平臺上，一直運行到現(xiàn)在。

更宏偉的計劃：“突破聆聽”

2015年，俄羅斯的億萬富翁Yuri Milner發(fā)起了一個名為“突破計劃”（Breakthrough Initiatives）的項目，聯(lián)合多位著名的科學(xué)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(yuǎn)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1百萬顆恒星以及距離最近的100個星系，這將是迄今為止最為龐大的搜尋地外文明計劃。

這些觀測已經(jīng)相繼開展，使用的望遠(yuǎn)鏡包括100米的GreenBank，64米的Parkes等射電望遠(yuǎn)鏡，還利用Lick天文臺的APFT(Automated Planet Finder Telescope)望遠(yuǎn)鏡試圖搜尋地外文明的光學(xué)激光信號，因為激光也是一個很好的通訊手段，地外文明也有可能使用激光進(jìn)行通訊。

很多人看到這里，都會想問，你說了這么多，我們?nèi)祟惖降子袥]有接收到外星人的信號？很遺憾，答案是沒有。

雖然科學(xué)家們付出了這么多努力，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(jù)表明有信號是來自地外文明。但是我們也只擁有有限的幾種手段，搜尋了很小一部分范圍。對此，Jill Tarter打了一個很好的比喻，“如果你的問題是，‘海里有魚嗎？’你舀了一杯水，看了看沒有魚，我覺得你不會因此就得出結(jié)論說海里沒有魚。”

當(dāng)然也有一些“疑似”的事例，最著名的就是1977美國天文學(xué)家Jerry Ehman發(fā)現(xiàn)的“Wow!”信號，它的頻率就在1420兆赫茲，但是這個信號只持續(xù)了72秒，而且之后在那個方向上就再也沒有探測到過。在2012年，“WoW!”信號發(fā)現(xiàn)35周年之際，受國家地理頻道的請求，Arecibo天文臺向“WoW!”信號的方向發(fā)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?nèi)祟惖男盘?/span>，比如Drake最早的搜尋。最近的一次發(fā)生在2016年，俄羅斯和意大利的天文學(xué)家宣稱利用俄羅斯的一個射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)的和太陽類似的恒星HD164595，而且這顆恒星是有行星圍繞的，后來其它的射電望遠(yuǎn)鏡也對該恒星進(jìn)行了觀測，但是沒有探測到類似的信號，最后該信號被認(rèn)為是來自一顆軍方的衛(wèi)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(fā)現(xiàn)都和外星人扯上了關(guān)系，成為SETI的搜尋對象。

恒星KIC 8462852

2015年天文學(xué)家Tabby Boyajian發(fā)現(xiàn)了一顆光變模式非常詭異的恒星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(xué)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(jié)構(gòu)，用于收集恒星的能量，當(dāng)然我們現(xiàn)在還無法驗證這種說法。

Wright和Boyajian一起合作，利用不同的望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)對這顆恒星進(jìn)行監(jiān)測，他們也使用射電望遠(yuǎn)鏡搜尋來自這顆恒星的窄帶射電信號，SETI研究所也利用ATA望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了搜尋，但是都沒有找到。加州大學(xué)伯克利分校的Nate Tellis在2017年利用Keck望遠(yuǎn)鏡搜尋它的光學(xué)激光信號，也沒有探測到。但是恒星KIC 8462852依然是SETI領(lǐng)域一個熱門的觀測對象。

假想的戴森球結(jié)構(gòu)

天體Oumuamua

2017年，天文學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)了一顆來自太陽系外的小天體，后來被命名為“Oumuamua”，夏威夷語中意思是“遠(yuǎn)方的信使”。這個太陽系外的訪客激起了天文學(xué)家濃厚的興趣，很多的大型望遠(yuǎn)鏡都對它進(jìn)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，由于走位太過于風(fēng)騷，天文學(xué)家很難解釋它的運動軌跡。Jason Wright認(rèn)為它可能是一艘損壞的外星人飛船，哈佛大學(xué)的著名教授Avi Loeb在一篇論文中認(rèn)為它可能是靠太陽輻射壓驅(qū)動的外星人飛船，當(dāng)然這些說法都還只能停留在理論推測上。射電望遠(yuǎn)鏡同樣對“Oumuamua”進(jìn)行了射電信號的搜尋，包括ATA和GreenBank望遠(yuǎn)鏡，但是也沒有發(fā)現(xiàn)什么信號。

Oumuamua的假想圖

雖然歷史上很多“神秘”的現(xiàn)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(rèn)為，在搜尋地外文明領(lǐng)域，將天文上不同尋常的現(xiàn)象作為搜尋對象，是一個非常合理的策略，我們就應(yīng)該重點關(guān)注天體物理不能解釋的現(xiàn)象，如果存在大自然的機制不能產(chǎn)生的現(xiàn)象，才有可能認(rèn)為是智慧文明所為。

不過對于科學(xué)家來說，把這些不能解釋的現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為外星文明，面臨著科學(xué)哲學(xué)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在他的博客中寫道的那樣：“對于這些無法解釋的現(xiàn)象，外星人假說應(yīng)該作為我們最后尋求的解釋”。

寫在最后的話

搜尋地外文明注定是一條漫長的路，也許我們永遠(yuǎn)無法到達(dá)終點，但是我想用Carl Sagan的一句話作為結(jié)尾：“宇宙實在太大，如果只有我們?nèi)祟?，好像有點太浪費空間了。”