“中国天眼”启动地外文明搜索真的能找到吗?

来源: 未知 作者:admin 编辑:admin 2020-05-10 05:20

  事实上,搜寻地外文明(SETI)是 FAST 望远镜筹建之初就被正式列入规划的科学目标之一;为实现这一科学目标,一台专门用于搜索地外文明信号的后端设备 FAST SETIBURST 被制造出来并安装在 FAST 望远镜馈源舱内。FAST望远镜于2016年9月建成并完成“初光”,经过三年多的调试和试观测,终于在2020年1月通过国家验收、正式开放运行。实际上早在2019年4月,FAST完成全系统测试、开启“早期运行”阶段时,这台搜索地外文明的后端设备 FAST SETIBURST 就已同步开启试运行;直到一年后的今天,“正式开启地外文明搜索”。

  “地外文明搜索”在天文学研究中是个小众的领域,但它并不是一个全新的领域。伴随射电天文学的发展,这一小领域也已走过了几十年的历程。而且时不时,当天文学家发现一些暂时不明原因的现象时,总会引发媒体与大众的一番好奇:“这会是外星人发来的信号吗?”2019年初,加拿大CHIME望远镜团队宣布第二次发现重复的

  (FRB)。当时有天文学家指出,虽然暂时无法确认这种现象的成因,但并不能排除这种信号是由地外文明所发出的可能性。这种说法经媒体放大渲染后,激起了坊间许多关于“外星人”的讨论。

  现在“中国天眼”也加入了搜寻地外文明信号这个令人充满遐想的领域——为了回答“真的能找到吗”这个问题,我们有必要对人类开展“地外文明搜寻”的历史做一系统的回顾。

  然而说起地外文明搜寻,略有思考能力的人都不免在心中先打上一个问号:这真的是靠谱、严肃的科学研究吗?

  笔者在2019年1月曾经发表文章,梳理西方“飞碟学”的滥觞和源流,指出东西方都有不少人致力于建构有关外星人接触的现代神话、发展基于这种神话的新宗教团体,甚至进一步衍生出团体与团伙。

  这些歪理邪说在社会上之所以只造成有限影响,部分原因是大多数公众经过了优秀科幻作品的洗礼,能够恰如其分地分辨想象与现实的边界,不会再被邪说所蛊惑。但这种针对“外星人邪说”的思想抵抗力,如果运用不当,也会反噬真正严肃的科学研究:美国的SETI研究,就曾受到这种所谓“嘲讽因素”(giggle factor)的影响、无法获得严肃对待,而长期趋于停滞。

  著名天体生物学家、科普作家卡尔萨根在其科幻小说 Contact(中译名《超时空接触》)讲述了一位女性天文学家痴迷于搜寻地外文明信号的故事。小说中非常富有现实意义地对主人公面临的困境多所着墨:SETI研究难以取得重大突破,不受经费管理部门的青睐,主人公的科研职业生涯发展也受到严重限制。

  萨根的灵感来自他的亲身经历。1978年,NASA刚刚开始对SETI研究开展资助四年之际,尽管那一年NASA给SETI微波观测项目的拨款只有区区13万美元,党参议员威廉普罗克斯迈尔还是给SETI项目颁发了一个“金羊毛奖”,来嘲讽“找外星人”的科学研究不过是薅资本主义纳税人羊毛的无用之学。1981年,普罗克斯迈尔干脆提了个修正案,停掉了1982年NASA旗下SETI项目的全部预算;直到萨根出马,利用自己的高人气和对华盛顿政圈的影响,说服普罗克斯迈尔不再阻挡SETI项目,1983年NASA才恢复这一资助。

  此后几年,NASA对SETI项目的资助大体逐年增加,到1991年,随着使用大型射电望远镜对1-10GHz的微波波段进行全天巡天以搜寻来自地外文明的窄带信号的“微波观测计划”(MOP)的上马,NASA对SETI项目的年度预算首次超过了1000万美元。1992年,为了回避国会对SETI项目的抨击,NASA将MOP计划名称改为“

  ”(HRMS),并特意选在哥伦布发现新500周年纪念日宣布这一新巡天计划。这个换了马甲的新计划仍然遭到围剿,但在宇航员出身的参议员杰克加恩等人的努力下,得以保住1993年的1200万美元预算。

  但在1993年,党参议员理查德布莱恩继续提出法案,坚持要砍掉HRMS计划,来终结“对纳税人钱的极端浪费”。这次SETI的反对者们胜利了。布莱恩得胜地声称,“对火星人的大围猎终于要结束了”。

  NASA在1975~1994年间为射电SETI研究提供的年度经费(数据来自NASA空间科学总部办公室,笔者制图)

  在此后的25年里,美国的SETI研究完全无法取得来自公共财政的资助,只能吃了上顿没下顿的寻求私人慈善资金的接济。《超时空接触》女主人公的原型、美国SETI研究所创始所长吉尔塔特在接受多家媒体采访时都曾表示,这25年的经费匮乏,导致SETI学科的发展出现严重断层,人才梯队的建设和学术活动的开展都难以正常进行。

  微软联合创始人保罗艾伦是SETI失去公共财政资助之后最重要的捐助者之一。1993年,他和英特尔公司创始人高登摩尔各自向SETI研究所承诺连续五年每年捐助100万美元用于SETI研究。1995年起,这笔经费支持了使用包括阿雷西博望远镜(Arecibo)在内国际主要大型射电望远镜开展的“凤凰计划”。到2004年,该计划在1.2~3GHz频段内对大约250光年内的800多颗恒星进行了窄带观测,但其探测到的数百万个“信号”都被认证为源自地球的干扰信号。

  1971年,美国SETI研究方兴未艾时,NASA曾经发起“独眼巨人计划”(Project Cyclops),研究应该如何开展SETI研究。该计划成果指出,可以建设一座大型望远镜阵列,专门进行地外文明信号的搜索。当时该计划的研究人员可谓雄心勃勃:他们希望建设由1000面100米口径的大型射电望远镜组成的阵列,整个阵列覆盖16公里直径的范围,整个阵列的预算高达100亿美元。

  这一预算已经高达同期美国大型“任务”阿波罗登月计划的4成,不出意外的没了下文。但到了90年代末,美国SETI研究者们再一次争取能够修建属于自己的SETI专用望远镜阵列。尽管这次的计划远远没有“独眼巨人”那么夸张,还是犯了盲目冒进的错误。在吉尔塔特的领导下,研究人员提出了“

  ”(OHT)计划,希望用350面口径6.1米的天线万平方米的接收面积。尽管赶上2001年互联网泡沫破裂的大萧条,保罗艾伦仍然先后为OHT计划捐资3000万美元,因此该望远镜被命名为艾伦望远镜阵列(ATA)。

  SETI研究所创始所长吉尔塔特(图片版权:Sebastian Nevols)

  提出SETI领域著名的“德雷克公式”的法兰克德雷克一开始为该计划设想了一个极端廉价的方案:采购卫星接收天线的货架产品,以每个天线美元的低成本完成阵列的建设。但随后SETI研究所采纳了更加激进的方案:对天线进行各项优化,使其在灵敏度、频率覆盖、偏振测量能力等方面的表现更好——结果是天线万美元,生产和建设全部350面天线亿美元。

  2007年,由于仅筹措到5千万美元捐款,SETI研究所仅建成42面天线之后就宣布ATA开始投入运行。但ATA-42总接收面积过小,无法达到有足够竞争力的灵敏度、以胜任除了SETI以外的其他天体物理研究。

  2008年,美国国家自然科学基金会以此为由决定停止给加州大学伯克利分校提供原本用于和SETI研究所合作运行ATA-42的经费——每年250万美元。受此影响,ATA-42一度于2011年中濒于中止运行。所幸先有《超时空接触》女主扮演者朱迪弗罗斯特等人参与众筹,后有美国空军租用ATA-42部分机时用于卫星追踪,才让这架望远镜得以维持运行。

  随着开普勒望远镜的巨大成功,本世纪的第二个十年里,数以千计的系外行星为人类所知——其中有相当数量位于“宜居带”。这显然鼓舞了公众对地外文明的热情和想象。

  2015年,另一个土豪进军SETI领域:物理学家出身的俄罗斯企业家尤里米尔纳发起“突破倡议”,他承诺出资1亿美元,推动包括“突破聆听”计划在内的多个与地外生命探索相关的研究计划。也许是吸取了ATA望远镜的教训,尤里没有选择出资建造专门服务于SETI的新望远镜,而是利用美国绿岸望远镜(GBT)和澳大利亚帕克斯望远镜(Parkes)经费短缺的时机,抄底了这两座已经跻身世界上最大、最成功射电望远镜行列的优质资产——突破基金会出资购买了这两座望远镜可观比例的观测时间,用于对邻近恒星进行。

  尤里米尔纳和霍金(图片版权:Tom Jamieson, The New York Times)

  突破聆听计划每年的出资规模约为一千万美元,这笔钱不仅相当程度缓解了SETI研究领域的饥渴,更延续了GBT和Parkes两架重要设备的寿命,其观测数据还可以被脉冲星研究者重复利用,因而受到天文学界的普遍欢迎。

  在突破聆听的钱还没花完的时候,美国SETI研究界、尤其是以民间机构形式存在的SETI研究所,已经在开始为下一个阶段钱从哪来而焦虑。2018年,美国众议院的一项法案曾经建议NASA为SETI研究提供两个年度、每年一千万美元的支持;但去年2月,2019财年分钱方案尘埃落定时,众议院提出的由NASA出资支持及慈善机构合作开展SETI研究的建议,最终并未获得通过——也即SETI研究所和突破基金会都无法获得NASA的补血。2019年3月,美国科学院公开征集下一个十年各学科、各领域的发展建议书。一封吉尔塔特列名合作作者的建议书分析了当前SETI研究领域的进展和进一步发展的需求,并再次提出“每年只要一千万”的卑微要求——与之对标的,是当下天体生物学的支柱、行星探测领域每个任务动辄数十亿美元的庞大预算。

  值得注意的是,这封建议书中不再使用以往惯用的“SETI”一词——吉尔塔特多次谐谑称,1993年之后这就已经成为“那个不能说的四字单词”。取而代之的,是吉尔塔特在2018初提倡的新名词:技术印记(technosignature)。

  从上世纪90年代末以来,天体生物学的研究领域逐渐把主要精力放在论证和寻找尚处在原始形式的生命留下的可探测特征上——这被称作“生物印记”(biosignature)研究,例如搜寻系外行星大气层中氧气的光谱特征(大规模氧气富集被认为可能来自生物成因)、在火星表面采集并分析土壤化学成分等。

  由于美国公共财政对SETI研究支持的缺位,生物印记研究牢牢占据了天体生物学研究的绝大部分经费——在过去15年里,大体在每年5千万美元上下浮动。从SETI向“技术印记”的改名,可能体现了吉尔塔特试图洗脱“SETI”一词在经费管理部门的污名化刻板印象、试图建立起与“生物印记”平起平坐的天体生物学子学科的努力(即以高级生命相较于低级生命)。

  2005~2017财年,NASA对天体生物学的年度资助(取自NASA行星科学分部Mary Voytek的演示文档)

  另一方面,“技术印记”一词也能更准确描述“SETI”这个领域科学家的实际研究对象。“我们无法定义智慧生命”,吉尔塔特在一次学术报告中表示,实际上研究人员搜寻的对象只是“别人使用技术的证据”。相较于过去几十年来,已经与射电天文学观测建立强关联的SETI一词,“技术印记”也能指涉很多近些年搅动的新情况:例如针对拥有无规则光变的塔比星,有人提出可能是“围绕恒星建造的巨型建筑”或曰“戴森球”;例如针对2017年底闯入太阳系的星际小行星奥陌陌,有人提出其反常加速可以用“光帆”来解释,等等——必须指出的是,由于这些悬案均未得到解决,以“技术印记”视之,只能作为众多学术观点之一去小心求证。

  “塔比星”研究众筹项目“流量哪去了”的标志,瞳孔中间示意该天体的部分光变曲线(图源:Tabetha Boyajian)

  2018年9月,NASA牵头举办了一个“技术印记研讨会”,与领域内研究人员咨商NASA应如何参与该领域研究。与会人员共同撰写的会议总结还提及,原则上“技术印记”也可能出现于太阳系内包括地球在内的各个行星上。但他们不无忧虑地记录道:过往一些看起来属于该领域研究的民科“成果”,在引发巨大公众关注后被证明不实——例如一名电气工程师马克卡洛托所谓“火星脸”和“火星城市”的发现——使得该方向的探索值得格外小心。

  由上文所述,我们不难发现经费困境在25年来始终与SETI研究如影随形。这在很大程度上形塑了其观测策略:用于SETI观测的后端仪器,往往以特定望远镜的次要后端仪器存在,在主要后端设备从事其他观测任务时,分享其观测数据,以SETI为科学目标进行数据分析——这种所谓的“共时”观测,可以在无需以大笔科研经费获取整块宝贵观测时间的情况下,开展SETI研究。

  另一方面,即使是专门为SETI所兴建的ATA望远镜,也从设计之初即保留了多科学目标同时运行的能力;购买专门望远镜时间用于SETI研究的突破聆听计划,也兼容了快速射电暴搜索和脉冲星研究需求。这种设计思想有助于SETI研究在天文学界争取更广泛的同盟者、更多元的经费来源。

  而射电天文观测之所以允许多个后端仪器开展“共时”观测,得益于射电天文观测的原理:不同于光学观测需要在收集光子的同时“摧毁”光子,射电观测只需对电磁波振幅进行高频采样,这样获得的数据可以在多个后端无损共享;多天线阵列组成的所谓“干涉仪”,更可以允许不同研究者按照各自兴趣,在后期数据处理时选择同一视场范围内的不同目标展开分析。在FAST望远镜落成前曾担纲“世界最大单口径射电望远镜”美誉、与FAST望远镜一样依托喀斯特溶蚀洼地地貌修建的美属波多黎各阿雷西博望远镜,是FAST望远镜设计、建设和运行的重要参照物,该望远镜即曾长期以“共时”观测模式开展SETI研究。

  由加州大学伯克利分校设计的后端设备“搜寻来自邻近发达地外智慧种族射电发射”(SERENDIP),旨在作为次要后端设备实时搜寻窄带发射信号。从1979年第一代SERENDIP问世之后,历经多次升级,目前在阿雷西博望远镜上使用的已经是第六代,可以同时42.6亿个0.8Hz宽的通道。

  FAST望远镜使用的 FAST SETIBURST 后端设备,即采用了最新一代的SERENDIP VI,除此之外还包含一个用于搜索快速射电暴的模块。FAST SETIBURST 与服务于其他几项科学目标的后端仪器共同安装在FAST望远镜的巡天主力设备——L波段19波束接收机上,共同组成FAST的重要巡天计划“FAST多科学目标同时扫描巡天”(CRAFTS);除SETI和快速射电暴搜寻外,还对氢原子气体、脉冲星等科学目标开展研究。

  阿雷西博望远镜、FAST望远镜及突破聆听使用GBT、Parkes开展的SETI观测,都主要使用L波段(1~2GHz)波段。这是出于怎样的考虑?首先,前文已经说明,在经费局限的情况下,SETI观测必须以“共时”观测模式“蹭”其他观测项目的时间。而大型射电望远镜最主要的研究目标之一,能够示踪银河系、河外星系及宇宙大尺度结构中物质分布的氢原子气体,主要是通过位于L波段的1.420GHz氢原子超精细结构跃迁谱线而被观测的。L波段也是脉冲星搜寻常用波段之一。因此,“蹭”L波段的时间,所获时间最多、可操作性最强。

  另外,我们还需要从星际通讯本身的需求出发推断,假如真的存在一个愿意与其他文明通讯的地外文明,它们会选择哪些频段作为通讯频段?——这个频段需要尽可能少的被星际电离气体的色散效应所影响,尽可能少被星际尘埃及行星大气层吸收;一个来自系外行星的信号要被探测到,还必须在与来自其母恒星的同频率辐射、以及来自银河系背景的同频率辐射的竞争中取胜。

  氢原子发射线GHz,在该频率附近不远的1.660GHz处,还有星际介质中羟基(-OH)的几条发射线——氢和羟基合一块就是水,孕育生命的物质;射电天文学家把这个频段昵称为“水洞”(water hole)。在微波频段,星际介质的色散效应有限、类太阳主序星的辐射较弱,地球大气吸收和银河系背景噪声的综合不利影响也在1.5GHz附近达到极小,“水洞”因而成为一个有利的观测窗口。

  《自然》杂志1959年的一篇文章相信1.4GHz就是那个星际通讯“神奇频率”,其最主要论据还是从人类自身发展水平进行论证的一套逻辑:由于1.4GHz氢原子谱线在天体物理学中的重要性,任何即使刚刚开始具有射电天文学的文明都会注意到这条特殊的谱线,并对其进行观测;而任何故意想要让自己的信号被其他文明探测到的,都可能会依据同样的逻辑,选择这条最常被观测谱线的频率来发送自己的信号。

  Giuseppe Cocconi & Philip Morrison 1959年发表在Nature上的文章《搜寻星际通讯》选段截图

  也有人试图给1.4GHz乘上一个π或者e之类的“重要数字”,凑出其他的“神奇频率”,但这种尝试能导出的结果不胜枚举,无法真正指导资源有限的SETI研究。而1959年之后的半个世纪里,射电天文学界又发现了许许多多其他重要天体物理谱线,单从氢原子发射线重要性来为“神奇频率”立论已不尽能服人——所以最终SETI研究选择坚守L波段,可视为经费窘境之下,结合考虑观测窗口的现实策略。

  选择筛选窄带信号,同样是出于这样的逻辑:如果一个地外文明希望自己被探测到,它们会选择以最容易被识别出其非自然本质的方式来发送信号。吉尔塔特在2001年发表的一篇SETI领域综述中指出:而在中心极限定理制约下,所有本质是天体物理来源的发射谱线都会有一定的热展宽。向外界传达自身文明能力以便引起注意的简单方法,就是发出在频率域足够“纯净”的窄带信号。

  除了发送长时间的窄带发射,另一种可以让信号看起来出自“人”造的方式,是发射宽带的、持续时间极短的闪烁信号。伯克利旗下的一个SETI项目“天文闪烁”(Astropulse),就是以0.4微秒的时间分辨率,在阿雷西博望远镜上搜寻宽带闪烁信号——这比一般脉冲星搜寻的100微秒时间分辨率还要精细很多。Astropulse计划跟著名的SETI@home一样,使用了“伯克利网络计算开放基础设施”(BOINC),利用公众的个人计算机进行分布式数据计算。

  也有一些研究者使用光学望远镜搜索闪烁信号来进行SETI研究。光学波段用作星际通讯的本质问题是星际尘埃的消光作用使得传输距离非常受限,虽然其承载信息的能力显著强于射电波段。对光学SETI,本文篇幅所限,不做展开。

  回到文首的问题,我们应该如何看待SETI研究是否“靠谱”这个问题?除了出于对现代“外星人神话”的不屑而产生的“嘲讽因素”,严肃的怀疑论者也对SETI研究提出了批评。牛津大学人类未来研究所的米兰奇尔科维奇总结称,这些批评大致可以分为两种:

  而最经典的发问莫过于“费米悖论”:“如果银河系中真的存在大量地外高级文明,为什么我们没有找到任何证据?”在SETI研究开展几十年后,这样的发问显得更加有力。对此,SETI研究者提出“宇宙草垛”(Cosmic Haystack)的概念——英语成语“草垛寻针”(等同于中文“大海捞针”)的那个草垛——宇宙草垛指的就是在进行SETI研究时,研究者所必须面对的巨大而人类知之甚少的参数空间。

  宾夕法尼亚州立大学的SETI研究者于2018年发表的一篇文章中计算了人类目前已有的SETI研究已经找过了这个巨大的“宇宙草垛”的多例:他们用灵敏度、中心频率、传输带宽、空间位置、偏振性、重复频率、调制方法等9个参数建构起SETI研究的参数空间,最终结论是,如果整个参数空间的大小比作地球海洋中的总水量,那么我们现在已经找过的范围,差不多只是一杯水而已。

  在一杯水中没有找到鱼,不能说明整个海洋里没有鱼——我们远远没到有资格提出“费米悖论”的时候。这当然一方面让人相信,SETI研究仍然大有可为,另一方面也不免让人感到绝望——智叟对愚公的那种绝望。

  不管怎样,使用FAST望远镜的中国天文学家们有理由感到谨慎乐观:凭借巨大的接收面积,它已经坐稳同波段望远镜中的灵敏度之最的宝座,这一优势甚至在号称“世纪工程”的国际合作大项目“平方公里阵列”的一期工程(SKA-1)于十年之后建成时都不会动摇。相较于以前和同时代其他参与SETI研究的射电望远镜,FAST将能够更深入、更快速的搜索“宇宙草垛”。

  当前各主要参与SETI研究的望远镜在相同观测参数下的灵敏度对比(来自Margot等人所撰写的“天文2020”建议书)

  根据《科技日报》的报道:FAST首席科学家、中国科学院国家天文台研究员李菂组织的“FAST与突破聆听计划合作组”发表了对FAST地外文明搜索巡天的量化展望。基于对超级地球GJ 273 b的试观测和对地外文明各向同性等效功率(EIRP)的测算,FAST有潜力探测到类地地外行星巡天卫星(TESS)将公布的数千颗地外行星上的类地文明,以及近邻仙女星系中的第二类卡尔达肖夫或更先进的技术文明。

  虽然对FAST在地外文明搜索领域大展拳脚的未来充满期待,但有鉴于“宇宙草垛”之浩大,我们又不必给FAST团队以“必须找到什么”的压力——尽人事,听天命,如此而已。

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