張同杰
北京師范大學(xué)天體物理學(xué)教授、博導
一談到地外文明，大家普遍認為，這是天文愛(ài)好者或者科幻小說(shuō)家的工作。但作為一個(gè)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，我想真正用科學(xué)手段來(lái)研究地外文明。實(shí)際上，它應該是天文學(xué)家的任務(wù)。
“中國天眼”FAST
今年1月11日，我們貴州的FAST望遠鏡通過(guò)國家驗收，開(kāi)始正式上崗、進(jìn)行觀(guān)測。地外文明的觀(guān)測，就是FAST望遠鏡的五大科學(xué)目標之一。
關(guān)于外星人的三個(gè)問(wèn)題
20世紀50年代的時(shí)候，著(zhù)名物理學(xué)家費米曾經(jīng)提出一個(gè)假設：如果說(shuō)生命在整個(gè)宇宙中的演化歷程是普適的，那么在我們的銀河系之中，就應該形成一個(gè)銀河文明網(wǎng)絡(luò )，一代一代的文明應該延續下去，直到今天。為什么我們沒(méi)有觀(guān)測到其他文明？他們都在哪兒呢？這就是著(zhù)名的費米悖論。
有的科學(xué)家認為，或許宇宙中的生命是普適的，但是高級生命或者是智慧生命或者外星人不是普適的。
科學(xué)家德雷克在60年代的時(shí)候寫(xiě)了一個(gè)公式來(lái)計算我們銀河系之中能夠與外界進(jìn)行交流的高級文明的數量。
德雷克公式
左邊文明數量，用N來(lái)表示，右邊描述的是能夠產(chǎn)生文明的因素，比如說(shuō)銀河系內恒星形成的速率、恒星周?chē)男行切纬傻母怕识啻蟮葪l件。
基于這個(gè)公式，把所有可能的條件考慮進(jìn)去，我們可以估算一下銀河系之中到底有多少個(gè)地外文明。我們現在用望遠鏡在銀河系看了大概四千多個(gè)系外行星，估算下來(lái)在銀河系里可能有數億個(gè)文明存在。
宇宙觀(guān)-哥白尼原理
我們對宇宙的認識，歷經(jīng)了地心說(shuō)、日心說(shuō)、銀河系中心說(shuō)。天外有天，人外有人，地球在銀河系的位置沒(méi)有什么特殊性。這是理論，科學(xué)家需要去證明理論的正確性。
既然如此，我們需要不需要去尋找？
大家很熟悉《三體》里面的“黑暗森林理論”：宇宙是一個(gè)黑暗森林，宇宙中的每一個(gè)文明就是一個(gè)獵人拿著(zhù)獵槍?zhuān)诤诎瞪掷锩孀叩臅r(shí)候，如果發(fā)現另外一個(gè)文明，首先做的第一個(gè)反應就是把這個(gè)文明給干掉。
張同杰在造就演講
物理學(xué)家霍金也曾警告過(guò)人類(lèi)，不要盲目地去主動(dòng)和外星人接觸。
但是，他們這些觀(guān)點(diǎn)實(shí)際上是基于我們地球資源有限，文明和文明之間必須因為資源而相互殺戮的前提條件下推導出來(lái)的?，F在是在整個(gè)宇宙中來(lái)尋找地外文明——整個(gè)宇宙足夠大，不存在爭奪資源的事情。
所以我的觀(guān)點(diǎn)和他們完全相反——想象一下，如果在一個(gè)狂風(fēng)暴雨的漆黑大海上，你駕駛一艘船，在遠處發(fā)現一點(diǎn)星光，是來(lái)自另一艘帆船的，這時(shí)候你是拿出槍來(lái)把他干掉，還是說(shuō)找到他，互相幫助、互相依存？
尋找外星人的意義
所以我提出我的黑暗大海理論，這是我們尋找外星文明的現實(shí)意義，地球有一天很可能無(wú)法生存，我們需要外星文明的幫助。
現在來(lái)到到第三個(gè)問(wèn)題，我們怎么來(lái)找外星人？
兩個(gè)方向：我們發(fā)出信號給他們，他們發(fā)出信號給我們。
基于這兩個(gè)方向，我們有三個(gè)辦法：
第一，尋找宜居的系外行星。（周濟林：地球只是驛站，人類(lèi)的下一個(gè)落腳點(diǎn)在哪里？）
第二，我們從地球上向外太空發(fā)射無(wú)人飛船或者發(fā)射電磁波信號來(lái)尋找他們。上世紀70年代美國發(fā)出了五位信使：2個(gè)先驅者號、2個(gè)旅行者號、 1個(gè)新視野，攜帶了我們地球上的很多文明信息。這些飛船目前正在飛離太陽(yáng)系，但是我們不會(huì )抱什么希望，而且這種方式成本非常貴。
對外發(fā)射無(wú)人宇宙飛船
第三種就是接收信號或者接收外星人過(guò)來(lái)的飛船。飛船是很多科幻小說(shuō)的想象，至少我們現在沒(méi)有證據。我們今天主要談?wù)劷邮招盘枴?/p>
電磁波是最適合進(jìn)行星際通訊的載體或者信使。光就是電磁波，它的速度是每秒三十萬(wàn)公里，光到達離我們最近的一顆恒星比鄰星，僅需要四年時(shí)間。
而且發(fā)射電磁波的成本很小，我們打一個(gè)電話(huà)，發(fā)一個(gè)微信就是一個(gè)電磁波出去了。我們做這個(gè)探測的前提是，假定外星人的科技水平大于或等于我們地球人的水平。如果他的水平比我們還低，那么我們發(fā)的電磁波他也不懂，他們也發(fā)不出電磁波來(lái)。
射電波段
這張圖的橫軸就是電磁波的波長(cháng)，最右邊是射電波，最左邊是伽馬射線(xiàn)X射線(xiàn)?？v軸，就是這些電磁波穿透地球大氣的能力。
我們可以看到，最左邊這種波長(cháng)很短的很難穿透大氣，我們需要把望遠鏡放到天空上去觀(guān)測才行，但你看右邊這個(gè)射電波段，它可以全天候地不管刮風(fēng)下雨，全天候地穿透地球大氣到達我們的望遠鏡，也就是說(shuō)，射電望遠鏡可以放在地面上觀(guān)測。
張同杰在造就演講
我們需要找的這個(gè)波段，它必須不容易被星際氣體吸收，外星文明發(fā)過(guò)來(lái)的時(shí)候，它能穿越中間的那些星際氣體和塵埃。再就是它能夠穿透我們的大氣層。其實(shí)設備制造非常容易簡(jiǎn)單，就像我們電視機，衛星接收天線(xiàn)，手機等等。
所以說(shuō)射電是我們最佳選擇，但是射電波段里面什么信號是外星文明的信號呢？
現在我們對宇宙的認識已經(jīng)非常深入了，宇宙中的天體本身發(fā)出的信號寬度最窄是500赫茲，所以我們需要尋找那些小于500赫茲寬度的這種窄帶信號，它才有可能是非自然的人為信號。
其實(shí)地外文明的觀(guān)測從20世紀60年代已經(jīng)開(kāi)始了，當時(shí)德雷克就開(kāi)啟了全世界第一個(gè)搜尋地外文明的計劃——奧慈瑪計劃。
SETI之父德雷克
90年代，加州大學(xué)伯克利分校建立了SETI研究小組。他們其中一個(gè)叫SERENDIP，也就是搜尋鄰近地球的地外文明發(fā)出的射電信號，這個(gè)計劃是世界上運行最長(cháng)的一個(gè)SETI項目，至今還在運行之中。這個(gè)項目也和我們FAST進(jìn)行了緊密的合作。
加州大學(xué)伯克利分校SETI研究
天文學(xué)家在做地外文明觀(guān)測的時(shí)候，發(fā)展了一套觀(guān)測模式。對于地外文明的觀(guān)測，很多望遠鏡都不想給它時(shí)間，知道大部分都是找不到信號的無(wú)用工作，所以發(fā)展了一套模式，叫共時(shí)觀(guān)測。
其他科學(xué)家在觀(guān)測其他的科學(xué)目標的時(shí)候，比如觀(guān)測恒星、系外行星共同使用這批數據，這樣就互不干擾。我們的FAST望遠鏡，將來(lái)的觀(guān)測模式也是這種模式，這種模式也稱(chēng)為共時(shí)天文巡天觀(guān)測。
SETI屏保程序
觀(guān)測的數據量很大，要甄別排除射電干擾、人類(lèi)造成的干擾等，光憑這幾個(gè)小組成員也很難做到，所以伯克利SETI研究小組發(fā)展了一種方式，開(kāi)發(fā)了一個(gè)處理數據的屏保。任何一個(gè)人的計算機閑著(zhù)的時(shí)候，屏幕保護就可以用來(lái)處理這些數據，處理完了數據自動(dòng)發(fā)回伯克利。
就全世界用屏幕保護的用戶(hù)分布情況來(lái)看，歐洲、美國是最多的，亞洲很少，中國幾乎沒(méi)有。
中國天眼FAST之父南仁東先生在最早的一篇綜述文章里，有一段專(zhuān)門(mén)提到了地外文明研究，論述了FAST望遠鏡觀(guān)測地外文明的優(yōu)勢——FAST望遠鏡是全世界靈敏度最高的射電望遠鏡。
天眼之父南仁東先生與他的論文
這是中國最早論述觀(guān)測地外文明的一篇文章?；谖恼?，基于我們和伯克利的觀(guān)測合作協(xié)議，2018年，伯克利地外文明研究小組和我們共同在FAST望遠鏡上裝了一個(gè)后端設備，我們就開(kāi)始了觀(guān)測。
人工模擬信號示意圖
上面是一些人工模擬的信號示意圖，左邊這個(gè)很尖的就是一個(gè)很窄的信號，右邊是寬帶信號。
小于五百赫茲的窄帶信號，我們人類(lèi)很容易制造出來(lái)，所以我們在進(jìn)行觀(guān)測的時(shí)候，要區分、去除我們地球上人類(lèi)制造的這種窄帶信號，需要很復雜的程序甄別。
FAST望遠鏡觀(guān)測到的信號數據
我從2014年開(kāi)始努力推動(dòng)中國的地外文明研究。我們在系統裝了后端設備，利用FAST望遠鏡進(jìn)行了真正的觀(guān)測。
上面兩張圖就是在FAST望遠鏡上對地外文明觀(guān)測的實(shí)際數據。這兩張圖左邊是個(gè)寬帶信號，大部分都是地球上的干擾，比如說(shuō)雷達的干擾、飛機的干擾，手機的干擾，左邊這些窄帶信號是我們篩選出來(lái)的，有可能是地外文明發(fā)出的信號。
當然了，我們現在不敢下結論，不過(guò)這篇文章已經(jīng)在美國《天體物理》上發(fā)表。這篇文章是在說(shuō)，我們已經(jīng)用FAST做了這樣一個(gè)研究，我們得到了很多的候選者，但是窄帶信號里面哪個(gè)是地外文明的信號，需要去甄別，也可能最終得到的結果都不是，這是最有可能的。
張同杰及其團隊在美國《天體物理》雜志發(fā)表的文章
最近幾年關(guān)于快速射電暴是否是外星人信號的新聞也非常多，快速射電暴能在幾毫秒內釋放出相當于太陽(yáng)釋放一整天的高能量?？茖W(xué)家也給它了很多的解釋模型，比如說(shuō)兩個(gè)中子星碰撞、兩個(gè)黑洞碰撞，但是大家都沒(méi)有完全定論。
快速射電暴
這就給一些科學(xué)家想象的空間。哈佛大學(xué)天文系的主任Abraham Leob認為，快速射電暴就是地外文明外星人制造的光帆，也就是外星人的動(dòng)力系統在推動(dòng)光帆進(jìn)行星際旅行的時(shí)候泄露的能量。
這種能量要非常高才行，如果這個(gè)能量不高的話(huà)，沒(méi)法推動(dòng)光帆，因為光帆也非常大，可能要像地球這么大的光帆才行。而要想推動(dòng)這么大的光帆，你需要高功率的能量機制。他認為，快速射電暴可能是這種能量機制泄露出來(lái)的。
Abraham Leob論文截圖
他進(jìn)行了非常詳細的計算，這篇文章就發(fā)表在美國著(zhù)名的《天體物理》雜志，在全世界媒體圈引起了一場(chǎng)軒然大波。當然這是一種觀(guān)點(diǎn)假說(shuō)，科學(xué)家也不是都不會(huì )犯錯誤。
50年代時(shí)，美國康奈爾大學(xué)的兩個(gè)天文學(xué)家G.Cocconi和P.Morrison發(fā)表在Nature 的一篇文章談到了對地外文明的展望：
「我們觀(guān)測地外文明成功的可能性非常小，但是如果我們不去尋找，不去觀(guān)測，那么成功的可能性就是零?！?/strong>
張同杰在造就演講
去年，在美國伯克利地外文明研究小組討論的時(shí)候，我曾經(jīng)問(wèn)過(guò)他們：你們認為再過(guò)多少年，能夠發(fā)現地外文明？一個(gè)科學(xué)家說(shuō)20年，另一個(gè)科學(xué)家說(shuō)明年就能看到。但是我個(gè)人認為，用不了20年，可能10年到15年，我們的FAST將會(huì )有定論。
定論的意思是——第一種可能性，我們找到了地外文明的信號了，如果找到，那是非常重要的事情。
第二個(gè)可能性是確實(shí)沒(méi)找到，FAST是全世界最靈敏的射電望遠鏡，它找不到可能意味著(zhù)，我們現在的技術(shù)暫時(shí)還是找不到，可能要有更先進(jìn)的技術(shù)才能做到。
SETI的希望
我們期待著(zhù)FAST能在未來(lái)給出一個(gè)定論。
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