作者：宋文潔 高鶴（分別係北京師範大學天文係研究生，教授、博士生導師）

　　人類是不是宇宙中唯一的智慧生命？究竟有沒有外星人？怎麽(me) 找到外星人？日前，北京師範大學高鶴教授帶領的研究團隊進行了一項模擬研究，結果表明：即便在最樂(le) 觀情況下，人類最少要2000年才能夠接收到一次外星人發來的信號；悲觀情況下，最少需要40萬(wan) 年才能接收到一次信號。我們(men) 把地球以外的智慧生命統稱為(wei) 外星人（Extraterrestrial Intelligence，簡稱ET）。1950年，來自意大利的諾貝爾獎獲得者、物理學家Enrico Fermi在一次非正式會(hui) 議中提出：“如果真的存在外星文明，那麽(me) 他們(men) 在哪裏呢？為(wei) 何至今沒有證據顯示他們(men) 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(men) 為(wei) 何從(cong) 未接收到外星人的信號？要想科學地尋找外星人，必須從(cong) 天文學出發。隨著19世紀電磁輻射的發現及20世紀天文射電望遠鏡的發明和發展，使得地外文明搜尋計劃逐漸具備科學性，成為(wei) 天文學中的一個(ge) 重要領域。

　　尋找外星人，這是一項嚴(yan) 肅的科學研究

　　隨著地球上無線電波的廣泛應用，人們(men) 開始猜測，也許外星人也擁有無線電技術，並向宇宙中發射廣播信號，那麽(me) 就可以通過捕捉外星人發出的無線電信號來證明他們(men) 的存在。

　　1959年，Phillip Morrison和Giuseppe Cocconi兩(liang) 位天文學家設計了一個(ge) 思想實驗，即把世界上最強大的雷達發射器對準一個(ge) 巨大的接收天線，計算發射器和接收器建立無線電連接的最遠距離。結果表明，即使發射器和接收器相距光年（光在真空中傳(chuan) 播一年的距離），也能接收無線電信號。這一結果促使兩(liang) 位科學家在《自然》雜誌發表了一篇論文，探討外星人無線電通信的問題——既然捕捉信號可行，應該捕捉什麽(me) 頻率的信號呢？Cocconi和Morrison提出在無線電頻段一個(ge) 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(ge) 頻段是1400MHz-1700MHz（OH）。由於(yu) 氫和羥基結合會(hui) 形成水，所以其輻射發射的頻率被稱為(wei) “水洞”。他們(men) 認為(wei) ，因為(wei) 這些頻率與(yu) 地球上的生命有所聯係，因此有理由在這些頻率附近搜索外星人。

　　1960年，Frank Drake進行了第一個(ge) 關(guan) 於(yu) 地外文明搜尋計劃（Search for Extra-Terrestrial Intelligence，SETI）的無線電觀測，稱為(wei) 奧茲(zi) 瑪項目。研究者使用美國西弗吉尼亞(ya) 州國家射電天文台的26米塔特爾射電望遠鏡，搜尋了距離我們(men) 分別為(wei) 10.2光年和11.9光年的天衛二和天衛五兩(liang) 顆類太陽恒星氫頻率附近的無線電信號。然而一無所獲。

　　此後，美國、蘇聯、澳大利亞(ya) 、加拿大、法國、荷蘭(lan) 、英國等國家以不同的頻率進行了超過60次搜索，累計搜索時間超過20萬(wan) 個(ge) 小時。

　　美國國家航空航天局(NASA)的科學家於(yu) 1992年利用射電望遠鏡搜尋外星信號，搜尋工作主要由兩(liang) 個(ge) 團隊開展。其中一個(ge) 團隊在艾姆斯研究中心采用“目標搜尋”技術在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(ge) 團隊則使用位於(yu) 美國加利福尼亞(ya) 州莫哈韋沙漠的戈德斯通望遠鏡群中的34米射電望遠鏡進行“全天巡天搜尋”。遺憾的是，一年後由於(yu) 資金不足，全天搜尋項目終止，而“目標搜尋”改名為(wei) “鳳凰計劃”於(yu) 1995年重新開啟，並使用位於(yu) 澳大利亞(ya) 新南威爾士州口徑為(wei) 64米的帕克斯射電望遠鏡進行觀測。1998年，阿雷西博射電望遠鏡參與(yu) 到“鳳凰計劃”的搜尋中，它是當時世界上最大的單麵口徑的射電望遠鏡，其直徑達到305米。“鳳凰計劃”在其工作的近10年期間觀測了距離地球200光年的約800個(ge) 恒星係統，頻率覆蓋範圍為(wei) 1200-3000MHz，是無線電搜尋地外文明計劃中搜尋範圍最廣的之一。

　　由於(yu) 製造大量小天線比製造一個(ge) 特大天線成本更低，且天線陣列能夠在給定的時間內(nei) 觀測更多目標，在微軟聯合創始人Paul Allen的資金支持下，建造了第一個(ge) 專(zhuan) 門用於(yu) SETI觀測的射電望遠鏡——艾倫(lun) 望遠鏡陣列。艾倫(lun) 望遠鏡陣列由42個(ge) 碟形天線組成，可以同時收聽7200萬(wan) 個(ge) 1Hz的無線電頻道。艾倫(lun) 望遠鏡陣列使得SETI的搜索速度提高了至少100倍，成為(wei) SETI發展中至關(guan) 重要的一步。此後，20世紀90年代世界各國陸續開展了很多關(guan) 於(yu) SETI的觀測項目。

　　值得一提的是，Frank Drake在綠岸天文台一次討論地外智慧生命的會(hui) 議上提出可以用一個(ge) 方程來估算銀河係內(nei) 外星文明的數量，也就是著名的德雷克方程N=R*fpneflfifcL。其中，N是銀河係中外星文明的數量；R*是銀河係的恒星形成率；fp是具有行星係統的恒星比例；ne是每個(ge) 太陽係中具有適宜生命生存環境的行星數量；fl是這些可以孕育生命的行星中實際發展出生命的比例；fi有生命的行星中出現智慧生命的比例；fc是出現智慧生命的行星中發展成文明並發出可被探測信號的比例；L是先進文明的平均壽命，或者說智慧文明掌握可交流技術後的存活時間。前三項參數涉及到天文觀測及天體(ti) 物理學的發展，後四項參數涉及到生物、化學、社會(hui) 學等多學科並充滿太多的不確定性。

　　這個(ge) 方程是無解的，但可以提供一種啟發式的指導。大多數理論研究試圖改寫(xie) 德雷克方程的形式或著重研究其中某一項的影響。即使它無法給出準確的答案但其給出了一個(ge) 合理的假設結構，修改或限製其中的每一項參數時都將帶來新的結果與(yu) 思考。

　　人類是否應該主動發送信號

　　隨著地外文明搜尋的深入研究，人們(men) 開始意識到除了聆聽信號也許還能向太空發射信號。1971年，美國國家科學院和蘇聯科學院在比拉坎天體(ti) 物理天文台舉(ju) 行了第一屆蘇聯-美國地外智慧文明通訊(Communication with Extra-Terrestrial Intelligence)會(hui) 議，會(hui) 議討論了無線電搜索的方法、技術和聯係的後果、信息內(nei) 容等等。

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

　　1974年11月，Frank Drake又帶領團隊利用阿雷西博射電望遠鏡向距離我們(men) 約25000光年的球狀星團M13發送了一個(ge) 無線電信息，稱為(wei) “Arecibo Message”。內(nei) 容包括五個(ge) 具有生物學意義(yi) 的原子(H，C，O，N，P)；一個(ge) DNA雙螺旋結構的示意圖；對人、太陽係的描述以及對阿雷西博天文台的描述等等。

　　1977年美國航天局發射了兩(liang) 艘飛往太陽係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(wei) “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(le) 以及55種古代和現代語言的口語問候，此外還用摩斯密碼編寫(xie) 了“衝(chong) 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，涉及數學和物理量、太陽係及其行星、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、植物和風景的照片。值得一提的是，這張唱片的封麵由鋁製成，在上麵電鍍的是鈾-238同位素的超純樣品，而鈾-238的半衰期為(wei) 44.68億(yi) 年，這使得遇到金唱片的文明將能夠使用剩餘(yu) 鈾與(yu) 其他元素的比例來確定唱片記錄的年齡。

　　然而，關(guan) 於(yu) 人們(men) 應該被動地尋找外星文明留下的技術簽名還是主動向太空發出信號一直存在爭(zheng) 議。包括霍金在內(nei) 的不少科學家都曾提出，如果存在外星人，他們(men) 的文明發展是否在地球之上？主動發射信號會(hui) 不會(hui) 讓他們(men) 來掠奪地球資源？主動發送信號後可能帶來的負麵結果理應需要全人類謹慎的思考。

　　尋找外星人的新進展

　　近年來國內(nei) 外都在積極推進SETI的發展。2016年國外正式啟動“突破聆聽計劃”(Breakthrough Listen Initiative, BLI)。BLI是一項預計開展10年、耗資1億(yi) 美元的地外智慧生命搜尋計劃，旨在通過無線電及光學技術對銀河係及其附近的100個(ge) 星係進行搜索。BLI目前正在使用綠岸望遠鏡及Parkes望遠鏡等搜尋可能的信號。

　　在我國，中國科學院國家天文台與(yu) “突破聆聽計劃”已於(yu) 2016年簽署合作協議，並將使用我國500米口徑球麵射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)開展合作。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，通過使用配置在望遠鏡接收機後端的FAST-SetiBurst來進行對SETI的研究。相比於(yu) 曾經最大的阿雷西博望遠鏡，FAST可以在相同時間內(nei) 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(ti) 。相信FAST在今後的觀測中能夠給我們(men) 帶來更多的驚喜。

　　實際上，除了前麵所提到的捕捉外星人發出的無線電信號外，還可以通過其他的間接觀測法來發現外星人。

　　首先，可以通過觀測恒星的亮度變化來發現可能的智慧現象。我們(men) 知道，行星圍繞著恒星在繞轉，當行星在視線方向遮擋住恒星時，就會(hui) 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施也可能對恒星造成亮度變化。這裏，筆者簡單介紹一下“戴森球假說”。1959年，美國物理學家戴森曾提出，一個(ge) 高度發達的文明，必然有能力向太空中發射環繞太陽的能源采集器，甚至可以將太陽用球狀結構包圍起來。那麽(me) ，類似“戴森球”的巨型結構就可能造成其宿主恒星的亮度變化，體(ti) 現在恒星的光變曲線，但是這種方法在於(yu) 要能夠區分天體(ti) 物理機製和人造物體(ti) 造成的亮度變化。

　　其次，通過尋找其他行星的大氣汙染物來發現外星人。我們(men) 知道機動車的尾氣及化石燃料燃燒會(hui) 產(chan) 生汙染性氣體(ti) ，例如二氧化氮。相關(guan) 科學家發現，地球大氣層中的汙染物會(hui) 有很強的吸收譜線，因此通過分析光譜數據，可以確定大氣層中的化學成分，從(cong) 而發現是否存在文明造成的大氣汙染。

　　再次，也可以通過尋找太空垃圾來發現外星文明。人類在發展航空航天時，會(hui) 留下各種人造廢棄體(ti) 及衍生物。這些物體(ti) 小到固態火箭的燃燒殘渣，大到發射後被遺棄的多節火箭。高度發達的文明也可能產(chan) 生很多的太空垃圾，通過觀測太空垃圾來發現外星人。此外，當這些太空垃圾數量過多時，可能會(hui) 形成一個(ge) 圍繞行星的行星環，當這個(ge) 行星環達到一定數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，理論上的假設預估同樣可以給我們(men) 一些啟發。

　　例如，筆者最近利用假設外星人的出現率及誕生時間，通過數值模擬研究了當銀河係中存在一定數量的文明時人類接收到他們(men) 發出信號的概率。模擬結果表明，樂(le) 觀情況下，銀河係整個(ge) 演化曆史中可能有4萬(wan) 個(ge) 外星文明存在，而人類平均需要存活30萬(wan) 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(ge) 外星文明存在，平均需要存活5000萬(wan) 年才能接收到一次其他CETIs發出的信號，最少則需要40萬(wan) 年才能接收到一次信號。在銀河係整個(ge) 演化曆史中，由於(yu) 誕生時間的隨機性及交流壽命的限製，可能導致我們(men) 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(ge) 重要原因很可能是我們(men) 的交流壽命還不夠長，從(cong) 而定量解釋了費米悖論。

　　必須指出的是，由於(yu) 目前沒有觀測數據能夠對這些參數進行限製，外星文明的出現概率及誕生時間是不可預測的，因此理論預估的結果存在很大的不確定性。然而，隨著天文觀測的快速發展，對這類研究進行定量計算已經成為(wei) 可能。通過這些定量計算，能夠給我們(men) 帶來理論上的預估，我們(men) 才能有效地判斷某些可疑信號是否確實由其他外星人發出，並利用未來觀測到的信號對其他外星人進行有價(jia) 值的研究，例如我們(men) 的研究中提到的外星人的出生率及誕生時間。

　　經過約60年的探索，至今我們(men) 仍然沒有任何的觀測證據證實宇宙中其他地方有外星人的存在。那麽(me) ，是否可以認定外星人不存在呢？也不能。在沒有經過大量的搜索之前，這個(ge) 問題沒有答案。

　　相關(guan) 科學家將宇宙比喻為(wei) 一個(ge) 多維的“宇宙幹草堆”，並估算了幾個(ge) 大型射電SETI項目在“幹草堆”中共同搜索過的部分，發現隻搜索了一個(ge) 微小的參數空間。這個(ge) 空間相當於(yu) 在地球上所有的海洋中隻尋找了一個(ge) 大浴缸或小遊泳池的區域，這個(ge) 區域沒有外星人，不代表整個(ge) 宇宙都沒有。

　　筆者相信，隨著天文觀測能力的進一步提高，SETI相關(guan) 研究也會(hui) 得到快速發展，尋找外星人的步伐不會(hui) 停止。