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(lèi)是不是宇宙中唯一的智慧生命？究竟有沒(méi)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(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)模擬研究，結(jié)果表明：即便在最樂(lè)觀情況下，人類(lèi)最少要2000年才能夠接收到一次外星人發(fā)來(lái)的信號(hào)；悲觀情況下，最少需要40萬(wàn)年才能接收到一次信號(hào)。我們把地球以外的智慧生命統(tǒng)稱(chēng)為外星人（Extraterrestrial Intelligence，簡(jiǎn)稱(chēng)ET）。1950年，來(lái)自意大利的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家Enrico Fermi在一次非正式會(huì)議中提出：“如果真的存在外星文明，那么他們?cè)谀睦锬兀繛楹沃两駴](méi)有證據(jù)顯示他們來(lái)訪過(guò)地球？”這就是著名的費(fèi)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?hào)？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(jì)劃逐漸具備科學(xué)性，成為天文學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。

　　尋找外星人，這是一項(xiàng)嚴(yán)肅的科學(xué)研究

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

　　1959年，Phillip Morrison和Giuseppe Cocconi兩位天文學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，即把世界上最強(qiáng)大的雷達(dá)發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)一個(gè)巨大的接收天線，計(jì)算發(fā)射器和接收器建立無(wú)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(wú)線電信號(hào)。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(wú)線電通信的問(wèn)題——既然捕捉信號(hào)可行，應(yīng)該捕捉什么頻率的信號(hào)呢？Cocconi和Morrison提出在無(wú)線電頻段一個(gè)具有普遍性的獨(dú)特頻率是1.42GHz，即21cm中性氫，其在宇宙中廣泛存在；另一個(gè)頻段是1400MHz-1700MHz（OH）。由于氫和羥基結(jié)合會(huì)形成水，所以其輻射發(fā)射的頻率被稱(chēng)為“水洞”。他們認(rèn)為，因?yàn)檫@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(gè)關(guān)于地外文明搜尋計(jì)劃（Search for Extra-Terrestrial Intelligence，SETI）的無(wú)線電觀測(cè)，稱(chēng)為奧茲瑪項(xiàng)目。研究者使用美國(guó)西弗吉尼亞州國(guó)家射電天文臺(tái)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(lèi)太陽(yáng)恒星氫頻率附近的無(wú)線電信號(hào)。然而一無(wú)所獲。

　　此后，美國(guó)、蘇聯(lián)、澳大利亞、加拿大、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)等國(guó)家以不同的頻率進(jìn)行了超過(guò)60次搜索，累計(jì)搜索時(shí)間超過(guò)20萬(wàn)個(gè)小時(shí)。

　　美國(guó)國(guó)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(hào)，搜尋工作主要由兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展。其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(cè)距離地球80光年處的約800顆類(lèi)太陽(yáng)恒星，而另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則使用位于美國(guó)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(xiàng)目終止，而“目標(biāo)搜尋”改名為“鳳凰計(jì)劃”于1995年重新開(kāi)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(cè)。1998年，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡參與到“鳳凰計(jì)劃”的搜尋中，它是當(dāng)時(shí)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(jì)劃”在其工作的近10年期間觀測(cè)了距離地球200光年的約800個(gè)恒星系統(tǒng)，頻率覆蓋范圍為1200-3000MHz，是無(wú)線電搜尋地外文明計(jì)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(gè)特大天線成本更低，且天線陣列能夠在給定的時(shí)間內(nèi)觀測(cè)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(gè)專(zhuān)門(mén)用于SETI觀測(cè)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(gè)碟形天線組成，可以同時(shí)收聽(tīng)7200萬(wàn)個(gè)1Hz的無(wú)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(guó)陸續(xù)開(kāi)展了很多關(guān)于SETI的觀測(cè)項(xiàng)目。

　　值得一提的是，F(xiàn)rank Drake在綠岸天文臺(tái)一次討論地外智慧生命的會(huì)議上提出可以用一個(gè)方程來(lái)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(yùn)=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(gè)太陽(yáng)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(shí)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(cè)信號(hào)的比例；L是先進(jìn)文明的平均壽命，或者說(shuō)智慧文明掌握可交流技術(shù)后的存活時(shí)間。前三項(xiàng)參數(shù)涉及到天文觀測(cè)及天體物理學(xué)的發(fā)展，后四項(xiàng)參數(shù)涉及到生物、化學(xué)、社會(huì)學(xué)等多學(xué)科并充滿(mǎn)太多的不確定性。

　　這個(gè)方程是無(wú)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(xiě)德雷克方程的形式或著重研究其中某一項(xiàng)的影響。即使它無(wú)法給出準(zhǔn)確的答案但其給出了一個(gè)合理的假設(shè)結(jié)構(gòu)，修改或限制其中的每一項(xiàng)參數(shù)時(shí)都將帶來(lái)新的結(jié)果與思考。

　　人類(lèi)是否應(yīng)該主動(dòng)發(fā)送信號(hào)

　　隨著地外文明搜尋的深入研究，人們開(kāi)始意識(shí)到除了聆聽(tīng)信號(hào)也許還能向太空發(fā)射信號(hào)。1971年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和蘇聯(lián)科學(xué)院在比拉坎天體物理天文臺(tái)舉行了第一屆蘇聯(lián)-美國(guó)地外智慧文明通訊(Communication with Extra-Terrestrial Intelligence)會(huì)議，會(huì)議討論了無(wú)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(shí)踐——1972年和1973年，美國(guó)發(fā)射的先驅(qū)者10號(hào)和先驅(qū)者11號(hào)太空飛船上分別攜帶著一塊金屬板，稱(chēng)為先鋒牌匾。先鋒牌匾由Carl Sagan和Frank Drake共同設(shè)計(jì)，信息包括太陽(yáng)在星系的相對(duì)位置和太陽(yáng)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(lèi)向太空發(fā)送的第一個(gè)信息。

　　1974年11月，F(xiàn)rank Drake又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(gè)無(wú)線電信息，稱(chēng)為“Arecibo Message”。內(nèi)容包括五個(gè)具有生物學(xué)意義的原子(H，C，O，N，P)；一個(gè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的示意圖；對(duì)人、太陽(yáng)系的描述以及對(duì)阿雷西博天文臺(tái)的描述等等。

　　1977年美國(guó)航天局發(fā)射了兩艘飛往太陽(yáng)系外的空間探測(cè)器旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)，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(shí)選錄了來(lái)自不同文化和時(shí)代的音樂(lè)以及55種古代和現(xiàn)代語(yǔ)言的口語(yǔ)問(wèn)候，此外還用摩斯密碼編寫(xiě)了“沖破黑暗迎向光明”這樣鼓舞人心的信息；唱片同時(shí)收集了116張圖像，涉及數(shù)學(xué)和物理量、太陽(yáng)系及其行星、DNA、人類(lèi)解剖和生殖，除了人類(lèi)的拍攝照片外還包含一些動(dòng)物、昆蟲(chóng)、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(lái)確定唱片記錄的年齡。

　　然而，關(guān)于人們應(yīng)該被動(dòng)地尋找外星文明留下的技術(shù)簽名還是主動(dòng)向太空發(fā)出信號(hào)一直存在爭(zhēng)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(dòng)發(fā)射信號(hào)會(huì)不會(huì)讓他們來(lái)掠奪地球資源？主動(dòng)發(fā)送信號(hào)后可能帶來(lái)的負(fù)面結(jié)果理應(yīng)需要全人類(lèi)謹(jǐn)慎的思考。

　　尋找外星人的新進(jìn)展

　　近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都在積極推進(jìn)SETI的發(fā)展。2016年國(guó)外正式啟動(dòng)“突破聆聽(tīng)計(jì)劃”(Breakthrough Listen Initiative, BLI)。BLI是一項(xiàng)預(yù)計(jì)開(kāi)展10年、耗資1億美元的地外智慧生命搜尋計(jì)劃，旨在通過(guò)無(wú)線電及光學(xué)技術(shù)對(duì)銀河系及其附近的100個(gè)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(hào)。

　　在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)與“突破聆聽(tīng)計(jì)劃”已于2016年簽署合作協(xié)議，并將使用我國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST)開(kāi)展合作。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)使用配置在望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)后端的FAST-SetiBurst來(lái)進(jìn)行對(duì)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(shí)間內(nèi)接收到更多來(lái)自不同天空位置的信號(hào)，同時(shí)有著更高的靈敏度，能夠探測(cè)到更加暗弱的天體。相信FAST在今后的觀測(cè)中能夠給我們帶來(lái)更多的驚喜。

　　實(shí)際上，除了前面所提到的捕捉外星人發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)外，還可以通過(guò)其他的間接觀測(cè)法來(lái)發(fā)現(xiàn)外星人。

　　首先，可以通過(guò)觀測(cè)恒星的亮度變化來(lái)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(shí)，就會(huì)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(duì)恒星造成亮度變化。這里，筆者簡(jiǎn)單介紹一下“戴森球假說(shuō)”。1959年，美國(guó)物理學(xué)家戴森曾提出，一個(gè)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(yáng)的能源采集器，甚至可以將太陽(yáng)用球狀結(jié)構(gòu)包圍起來(lái)。那么，類(lèi)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(guò)尋找其他行星的大氣污染物來(lái)發(fā)現(xiàn)外星人。我們知道機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣及化石燃料燃燒會(huì)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(huì)有很強(qiáng)的吸收譜線，因此通過(guò)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(guò)尋找太空垃圾來(lái)發(fā)現(xiàn)外星文明。人類(lèi)在發(fā)展航空航天時(shí)，會(huì)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?jiān)?，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(guò)觀測(cè)太空垃圾來(lái)發(fā)現(xiàn)外星人。此外，當(dāng)這些太空垃圾數(shù)量過(guò)多時(shí)，可能會(huì)形成一個(gè)圍繞行星的行星環(huán)，當(dāng)這個(gè)行星環(huán)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)同樣可能對(duì)恒星的亮度變化造成影響。

　　除了觀測(cè)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(shí)間，通過(guò)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(shí)人類(lèi)接收到他們發(fā)出信號(hào)的概率。模擬結(jié)果表明，樂(lè)觀情況下，銀河系整個(gè)演化歷史中可能有4萬(wàn)個(gè)外星文明存在，而人類(lèi)平均需要存活30萬(wàn)年才能接收到一次信號(hào)，最少需要2000年能夠接收到一次信號(hào)；悲觀情況下，大約有100多個(gè)外星文明存在，平均需要存活5000萬(wàn)年才能接收到一次其他CETIs發(fā)出的信號(hào)，最少則需要40萬(wàn)年才能接收到一次信號(hào)。在銀河系整個(gè)演化歷史中，由于誕生時(shí)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(cuò)開(kāi)，因此人類(lèi)直到今天還沒(méi)有觀測(cè)到外星人信號(hào)的一個(gè)重要原因很可能是我們的交流壽命還不夠長(zhǎng)，從而定量解釋了費(fèi)米悖論。

　　必須指出的是，由于目前沒(méi)有觀測(cè)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(shí)間是不可預(yù)測(cè)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(cè)的快速發(fā)展，對(duì)這類(lèi)研究進(jìn)行定量計(jì)算已經(jīng)成為可能。通過(guò)這些定量計(jì)算，能夠給我們帶來(lái)理論上的預(yù)估，我們才能有效地判斷某些可疑信號(hào)是否確實(shí)由其他外星人發(fā)出，并利用未來(lái)觀測(cè)到的信號(hào)對(duì)其他外星人進(jìn)行有價(jià)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(shí)間。

　　經(jīng)過(guò)約60年的探索，至今我們?nèi)匀粵](méi)有任何的觀測(cè)證據(jù)證實(shí)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(méi)有經(jīng)過(guò)大量的搜索之前，這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有答案。

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

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