转载自2011年1月的《天文爱好者》
作者:薛国轩

“多萝西计划”再探地外文明

据美国空间网站2010年11月13日报道,在人类“探索地外文明”(英文缩写为SETI)50周年纪念之际,世界多个国家的天文学家从本月起再度展开“且听外星人”的联合行动,以延续开始于1960年的“奥兹玛计划”。新的探索活动被命名为“多萝西计划”(Project Dorothy),已于11月5日正式启动,将持续整整一个月时间,来自澳大利亚、日本、韩国、意大利、荷兰、法国、阿根廷和美国的天文学家参与其中。他们将把大大小小的望远镜指向地球周围的一些星球,以期收听到外星人的“天外来音”。

Allen Telescope Array.jpg

主导“多萝西计划”的科学家、来自日本的首席研究员鸣泽新指出:“波江座ε星和鲸鱼座τ星是北半球距离地球最近的两颗类似太阳的恒星,半个世界以来它们一直是SETI的最佳目标,同时也是"奥兹玛计划"的象征,更是本次‘多萝西计划’的主要对象。”当年“奥兹玛计划”发起人弗兰克·德雷克在一份声明中表示,“在此次新的探索中,将有如此多的优秀科学家使用如此多的望远镜,并配备当今先进的电子和计算机设备,这让我倍感欣慰。”有事实表明,“探索地外文明”一直是一个极具争议的科研项目,一些科学家相信这完全是在浪费时间和金钱,而另一些则认为对地外信号的探测将永久地改变我们宇宙观。

Simon Conway Morris.jpg最近几十年来,人类天文观测的水平越来越提高,就观测波段来说,早已从可见光波段扩展到红外、紫外、无线电波、X射线和伽玛射线波段,各种天文望远镜也已经从地面转移到太空。虽然人们至今没有找到任何地外文明的直接证据,但具有理性的科学家确信,生命是天体演化在一定条件下发展的必然结果,地球绝不会是宇宙中唯一有智慧生命的天体。在英国皇家学会于2010年1月召开的“外星生命探测及其科学和社会后果”专题会议上,英国剑桥大学进化生物学家西蒙·康卫·莫里斯(Simon Conway Morris)教授,就“地外生命形势预测及如何应对最坏情形”作了专题报告。他认为,如果达尔文进化论适用于整个宇宙,那么:在宇宙任何地方,只要有合适的生存环境,生命就会繁衍进化,这是“不可避免”的。如果这种观点成立,那么就必然有技术进化,也就是说,存在各种“外星技术”。一些科学家感到困惑不已,因为人类已在上个世纪向太空发射了无线电和视频信号,至今没也到任何回音。莫里斯教授解释道:“换位思考一下,假如我是外星人,我也不知道是否应该接这个‘电话’。”

是来自外星人的神秘信号吗?

早在1928牟4月3日,在荷兰菲利浦公司实验室工作的挪威·史托马,无意中收到了一组奇怪的无线电信号,其波长为31.4米。这信号每隔3秒就出现一次,极有规律。史托马向电台总监作了汇报。后者对此极感兴趣,并认为这种信号可能来自外星人。

于是,他们给对方“回电”,仍用31.4米波长,把一组莫尔斯电码信号每隔20秒钟一次”凌射出去,连续发射了15天没有回音。就在第16天,他们又收到了那个奇怪的、每隔3秒出现一次的信号,好像是有人企图与地球人联系似的。史托马惊喜之极,于同年10月又安排了一次发射试验,结果又收到了同样奇妙的信号。

有关这奇妙信号的消息轰动了全世界,许多电台都转而密切注视这个信号。其中,美国就有人报告在1929年2至4月期间,收到过10次这种信号;一艘法国科学考察船于1929年5月9日也收到了同样的信号。遗憾的是,这组奇怪的信号里面究竟包含着什么信息,却没有人能破译出来。

1972年,年轻的苏格兰天文学家罗伦无意中发现了当年史托马留下的珍贵记录。他立刻被这些信号所吸引,并利用现代科学的逻辑思维对其进行研究。经过许多个不眠之夜后,罗伦宣布,他破译了这一信号的意思,其内容是:一艘来自牧夫座星球的宇宙飞船,正在环绕太阳系飞行。可是,怎么证明罗伦破译的真实性呢?后来人们怀疑,这信号根本不是“外星人”发出的信号,因为有些射电星常常自然地发出无线电波。虽然如此,科学家们还是从中得到很大启发,觉得应该主动通过无线电信号与外星人进行联系。

50年前:“奥兹玛”计划首探地外文明

深邃的星空蕴藏着许许多多的宇宙奥秘,日月星辰以乎总是在引发人们的神思遐想:文明星球之间怎样进行交流?现代利用射电方法“搜索地外文明”(Search for extraterrestrial intelligence,缩写SETI)纪元是从1959年开始的。当时,美国康奈尔大学的物理学家Giuseppi Cocconi和Philip Morrison在《自然》上发表的一篇文章指出了用微波进行星际通讯的潜在可能性。当时有一位年轻的射电天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)也独立地得出了相同的结论,并于1960年春季开始对其它太阳系的微波搜索,这就是著名的奥兹玛计划(Project Ozma)。

Frank Drake.jpgProject Ozma的名称来自一个童话之中的奥兹国(Oz),据说那是宇宙深处非常遥远的地方,居住着一些奇异的生灵。实际上,德雷克所期望的是倾听到地外智慧生命的声音。那时新的射电望远镜和新技术出现了,将搜索的炅敏度提高了约十倍。“新的大射电望远镜和髙灵敏度接收机的结合,给我们第一次探测到近类日恒星处发出的、相当于我们向太空发射的无线电波强度的信号的机会。”德雷克在四十多年后这样说道。

当时,德雷克建议使用当时美国最大的射电望远镜——西弗吉尼亚州格林班克的射电望远镜,天线直径26米(85英尺)——分别对两颗刻意选择的邻近恒星—波江座ε星(距离地球10.7光年)和鲸鱼座τ星(距离地球11.9光年)进行监听,期望接收到这两颗恒星附近行星上的文明生命的信息,譬如来自外星智慧生命的“无线电广播”。鲸鱼座τ星,这颗恒星距我们11.9光年,它在许多方面都同太阳相似,如果它周围的行星上栖居了一批科学技术水平同人类相仿的外星人,他们或许能够向外发射无线电讯号以求与行星外生命取得联系。

Arecibo(阿雷西博) Observatory.jpg

科学家们在1960年4月8日开始实施“奥兹玛”计划。从4月8日清晨4时开始,美国西弗尼亚州绿岸国立射电天文台搜索宇宙空间的电波。当时,科学家们使用了当时美国最大的射电望远镜(直径26米),选用26厘米波长,先后对上述两颗恒星进行了3个多月的监听工作。遗憾的是结果一无所获,即没有取得任何有价值的无线电信号。尽管如此,这次监听的意义是不能低估的,因为它毕竟是地球人有史以来第一次严肃认真的尝试,从此开创了用技术手段探索地外文明的新纪元。从那时起,地外文明搜索在美国掀起热潮并迅速席卷全球。

著名的“绿岸公式”

1961年,弗兰克·德雷克提出了一个著名的方程,后来称之为“绿岸公式”,这是对探索地外智慧生命作定量分析的第一次尝试。下面就是德雷克提出的“绿岸公式":
$N=R\times n_e \times f_p \times f_l \times f_i \times f_e \times L$

在这个公式中,N代表银河系中可能存在高技术文明的星球数,它取决于等式右边7个参数的乘积。在这7个参数中,R表示银河系中恒星的数量,$f_p$表示拥有行星的恒星所占的比例,$n_e$表示具有行星系的恒星周围存在可居住行星的比例,$f_l$表示在众多可居住行星中真正拥有生命行星所占的比例,$f_i$表示在拥有生命的行星中拥有智慧生命的行星所胃的比例,$f_e$表示在这些已有智慧生命的行星中具有星际通讯能力的行星所占的比例,L表示与具有高级技术文明世界的平均寿命(或者说延续时间)有关的参数,因为只有持续发展很长时间的文明星球才有可能做星际互访。

外星人(想象).jpg德雷克曾用这个方程乐观地推测银河系中大约有万先进文明的皇球,或谓大约在2000万个恒星中有一个先进文明;其中最近的文明可能距离我们约1000光年远。其他许多天文学家、生物学家也试图求解这个方程,但结果大相径庭。因为这一方程涉及多个变量,一些变量较容易估算,另一此变量则很难确定。因此实际上很难求出这个方程的精确解。

这7个参数目前均仍为不确切的未知数。其中有的参数取近似值(例如R),有的则纯属主观(例如L)估计。有人用粗略估计的最低值代入计算,可得到40万;用每一项最大可能值去算,则得N=5000万。这就是说,在银河系中的高技术文明星球的数目为40万至5000万个。美国著名科学作家阿西莫夫根据自己的见解,曾提出与绿岸公式类似的公武估计出,银河系大约存在50多万个文明星球,即银河系中每100万颗恒星中,平均可能有18个文明世界。美国天文学家卡尔·萨根的推算则是,银河系有超过100万个文明星球。他们间的距离可达上百光年。

德雷克现在认为,任何现存的外星文明都可能比地球文明更先进。对外星人来说,类似的电视时代可能早已时过境迁。虽然SETI的科学家花了半个世纪搜索众多星球也未能找到外星人的蛛丝马迹,但德雷克坚信地球以外存在智慧生命。德雷克表示,他们不得不在1000方颗星星中反复搜索信号,但目前还远远没有接近那个信号。外星人用以展现自己的技术,可能是目前人类力所不及的。那么,外星人是怎样展现自己的呢?德雷克有两种猜测:一种是将星球作为功能极强的透镜,放大光和无线电信号。这种“引力透镜”足以绘制出某个遥远星系中某个星球的地形。逆向看待这项技术,利用透镜做发射器而不是接收器,外星人就可以向整个银河系发送大量强力信号,大喊“我们就在这里”。这一点具有可行性,因为爱因斯坦已证明引力可以弯曲光线。不过目前人类尚无法掌握这种技术。另一种通信方法,是使用超强脉冲激光器产生一种超强闪光,类似目前核聚变反应堆使用的激光器。

1977年,美国探索地外文明中心使用大型射电望远镜据说收到了所谓的“哇”(Wow)信号,这是一个长达72秒的非常强的无线电信号。科学家们认为“哇”信号是迄今接收到的唯一最有可能来源于外星文明的信息;虽然人们早已开始寻找这种信号,目前仍一无所获。

寻觅宇宙“知音”:监收外星人的“电波”

在美国科学促进协会的一次会议上,德雷克曾反思自己对于外星人信号的研究。这任务很困难的原因之一在于,射电望远镜必须将观测到的频谱分成很细致的部分进行研究,这过程就像在一辆汽车收音机上调节收音信号。另一个原因在于望远镜能观察到的范围与它可以放大信号的程度之间存在此消彼长的关系。小的望远镜能观察到很广的天空范围但只能探测到强烈的信号:大的望远镜可以探测到较弱的信号但只能集中在小范围内进行观测。因此天文学家很难兼顾二者作出既细致又全面的观察。

这是一幅寻觅外星人的想象图.jpg

银河系里至少有两千亿颗恒星,从中作出保守的估计应有十万颗类似于太阳系的天体系统,但它们相距遥远,人们目前的技术手段无法实现星际航行。因此,首先实现星际通信是最有效的手段。前苏联著名天体物理学家什克洛夫斯基认为,“星系际无线电通讯与恒星际无线电通讯相比,有一个明显不同的重要特点,即进行星系际无线电通讯时,信号可一下子发送给几十亿颗恒星。因此,如果在这些恒星中,即使只有一颗恒星周围存在着离庠发汰的文明针会。这个信号也会被发现。实际上,在被探测的星系中,这样的文明社会可能很多。因此,当发送各种定向的星系外信号时,发现它们的文明社会是‘十分有把握的’。然而,当向任何单一恒星的方位发射定向信号时,发现那儿存在文明的概率,或者一般地存在生命的概率,就极其微小。”

如何做才能最有效地搜索来自遥远的地外文明的无线电信号呢?有关探索地外文明学者摆出了三个基本的难题,即“如何搜索如此广阔的天空?”、“若要寻找地外信号,应该将无线电调节器调到什么位置?”、“如何充分利用可供探索地外文明使用的有限射电望远镜资源?”

美国新墨西哥甚大天线阵(VLA)-1.JPG美国新墨西哥甚大天线阵(VLA)-2.JPG

1971年,美国宇航局的科学家专门召开了一次搜寻外星人的工作研讨会,在会上,人们提出了一项庞大的探测计划,其代号为“独眼巨人”(Cyclops)。Cyclops是希腊神话中的一个神——独眼巨人,探索评划借用了他的名字。“独眼巨人”计划主要是建造上千架口径为100米的射电望沅镣天线阵列,它们完全由电子计算机控制,系统地巡视扫描整个天空,以搜索外星人发出的讯号。据说,在250光年范围内,可搜索任何天体(其总数超过660个)发射的无线电波。据初步预算,该计划需耗资60亿美元,由于此计划耗资巨大而未能实施。但是“独眼巨人”计划科学技牙芬析报告成为以后一系列探索地外文明工作的基础。当美国人逐步理解到SETI的光明前景,他们又开始了新的尝试。

地球人是宇宙中独一无二的吗?

现任美国地外文明搜寻研究中心负责人、美国天文学家吉尔·塔特博士(Jill Tarter)认为,地外文明是很难定义的,由于星际间的距离,也不可能直接探测到;因此,探索地外文明项目实际上就是试图去搜寻其他遥远的技术证据;继德雷克之后我们的探索一直没有间断过。但是摆在我们面前的搜索任务却依然相当艰巨,怎么说也不为过。过去几十年里探索地外文明的一切努力,都只能算是窥探到茫茫大海中的一杯水,也没人能根据一杯水,来判断大海里面有没有鱼。她还说,探索地外文明研究中心对智能生命做了一个非常实用的定义,即具有能够建造大型信号发射器的能力。塔特是美国2009年名为“TED”大奖获得者之一,她在2009年3月26日一次集会上讲述了人类认识自我以及认识太空的故事,并指出探索地外文明SETI项目的意义所在。就是让人们通过一种大宇宙的视野更深刻的认识“人”的含义;她还呼唤更多的人,决其是年轻人,加入到这一史上最大的开发计划中来。

她在讲演会上动情地这样说道:

“数千年以来,我们都是在向牧师和哲学家请教,让他们告诉我们地球之外是否存在别的生物。现在,我们可以使用21世纪的技术,来寻找星空中到底有些什么,而不是今问我们该信什么。SETI计划本身并没有预设外星智慧的存在,那只是一种猜测或可能。在这样的宇宙里,是有可能存在别的生物的。数字本身告诉我们,这个可能性是存在的。太阳是银河系里头4000亿个恒星中的一个,我们也知道很多其他的恒星也有它自己的行星系统。过去14年里,我们发现了350个这样的恒星,也包括一些小的行星,以及本周才对外宣布的那个新发现的行星,其半径是地球的两倍。而即使银河系里所有的星球都不存在生命,除了银河系还有1000亿个星系,也就是有10的22次方个恒星,要是你拿10万美金的支票铺在地上,要一直堆到舞台上方611万千米的地方,才够10的22次方。那将是地月距离的16倍,或者说是地日距离的四分之一,所以说可能性还是蛮大的。”

“我们希望能够利用人眼的模式识别能力,去发现那些微弱或者是复杂的信号。同时我们也希望能够通过这样的项目来启发下一代,我们希望我们做出的一些成果可以作为课堂教学的材料,并且让各地的学校都能用上这些材料。对于那些不能亲临艾伦望远镜群(ATA)的学生,我们更需要以一种美妙的方式来讲述我们的故事,吸引他们,改变他们的视角。”

“在漫长的人类历史上,我们人类曾分裂成为无数种形式的部落。我们曾把这个本来就很小的地球,划分为更小的领地。但是,说到底我们都只是属于同一个部落,那就是地球生灵。而SETI就是一面镜子,透过它,我们可以通过外星人的视角认识自己,从中我们可以发现我们中间的那些分歧是显得多么渺小。即使SETI别的事情都不能完成而只是改变了我们看待自己的方式,那也会是历史上最值得铭记的一件事。”

现在,人类仍处于用射电方法探索宇宙天体和地外交明的最初阶段。在一幅银河系的光学照片上,可以看到成千上万颗恒皇,据著名美国天文学家卡尔·萨根比较乐观的估计,这些恒星中必有一些是先进文明之所在。可到底是哪一颗星星呢?人们的射电望远镜应当指向哪一颗星呢?解决这个同题是有很大难度的。因为人们现今用射电天文望远镜进行研究的天体还不多,即在可能出现先进文明的数以百万计的恒星中,人们研究的才不过数千颗。

Jill Tarter(中间偏右的红衣女士).jpg

科学家们曾做过这样的假定推理,即假定有的地外文明生命在和平繁荣的环境中生活了100万年,由于他们科学技术极为发达,生活充分富裕,也完全有能力耗费巨资来从事有重大意义的开创性研究,其中包括试图同外部文明星球建立联系,他们可能在100万年内不停顿地向外界发送强有力的无线电信号;这样,假定在100万颗行星中,就有一小部分正在发播这种讯号,这部分所占的比例是100万年除以40亿年,即0.025。这意味着目前正在发送信号的只有250万颗。如果它们均匀地分布在银河系中,则相邻两颗之间的距离约为4600光年。人类发出的信号要经过4600年才能送到离我们最近的外星人那儿。如果他们收到了弁随即发出回答,那要收到他们的回音我们还得再耐心地等上4600年!“奥兹玛”计划的联系对象距离我们只有十几光年,这样做也许没有多大意义。要使得类似“奥兹玛”的计划变得有实际意义,只好监听4600光年范围内每一颗类似太阳的单星是否在发出有含义的讯号。”


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