新技术助力寻找外星文明

虽然60年来并未接收到确切的外星无线电信号,但科学家在寻找外星智慧生命方面没有停步。

在1960年4月中的大约一周时间里,美国射电天文学家德雷克认为自己可能发现了外星人。这一年的4月8日,他把美国国家射电天文台新的26米直径望远镜对准一颗恒星——天苑四。几分钟后,这部望远镜的读数装置(一种用笔把接收到的信号特征绘在纸上的仪器)疯狂绘图,与望远镜相连的一只扬声器响起一连串强烈脉冲音,正如德雷克设想的外星文明信号。他惊呆了:寻找外星人真的这么容易?

答案是否定的。几天后,当这部望远镜再次接收到同样的信号时,一部指向不同方向的无线电天线也收到了这一信号。最终发现,该信号并非来自外星,而是来自地球上的一个来源,例如—架飞机。

当时,在两个月时间里,德雷克不仅观测了天苑四,还用另一部望远镜观测了另一颗恒星——天仓五,但他在寻找地外文明(也称外星文明)方面没有任何成效。尽管如此,他在这方面的尝试却引来了越来越多的跟风者。虽然后来科学家对外星文明的找寻一度退潮,但一系列天文学新发现和新技术让人们在这方面的兴趣再次被提起。越来越大、越来越好的望远镜正在望向更远的太空,在比原来宽得多的频段对越来越多的恒星进行探测。复杂、先进的计算工具,正在审视通过这些探测得到的数据包。全球各地天文台正在参与一个投资巨大、规模最大的寻找外星文明项目——“突破聆听”。为此,这些天文台定期进行这方面的观测。

天空之眼

过去几十年中,寻找外星人的步伐大大减缓。例如,美国政府在这方面的资助在1993年突然中止,其理由是“寻找外星人已不再是正規科学探索,已经边缘化”。

但随着科学家对宇宙演化的认识不断深入,寻找外星人这个概念也在变化。德雷克当年进行这方面观测时,科学家并未把目光投向环绕除了太阳之外的其他任何恒星的行星。而就在过去十年中,科学家发现了好几千颗系外行星(太阳系之外的行星)。对至少一部分科学家来说,这意味着存在地外生命(也称外星生命或外星人)的可能性几乎达到100%。

2020年2月,“突破聆听”发布了有关寻找外星文明的迄今最大观测数据包供科学家分析。在这个由全球多个天文台联合提供的数据包中,包含对来自银河系圆盘和银河系核心超大质量黑洞周围区域射电信号的调查数据。

科学家认为,要想找到外星文明,星系中心很重要,因为某些超级发达的外星人可能会在星系中心附近建造由超大质量黑洞充电的超强无线电发射器。但为了找到无线电设备和我们的设备相当、不那么超级发达的外星人,一些科学家探测的是附近的恒星系统,例如太阳的20个同类伙伴(类太阳恒星)。所有这些恒星相对于地球的位置,都能让在恒星周围的行星或卫星上可能存在的外星人看见环绕太阳的地球,因而可能会向地球发送信息。虽然这些科学家最终都空手而归,但只能说明他们所找寻的这些为数不多的恒星周围可能不存在外星文明。银河系非常大,其中可能存在外星人的地方也很多,因此,如果不把银河系中每颗恒星周围都找遍,就不能断言银河系中不存在外星人。

未来几年中,“突破聆听”将开始探测银河系中的其他很多地方。例如,位于南非的一个望远镜阵列已准备好调查太阳附近的100万颗恒星。

建造更好的过滤器

对于望远镜带来的超大量探测数据,科学家必须进行分析和过滤,对同样的数据还需要多次分析。幸运的是,新的计算机算法能够重新分析过去的观测数据,寻找之前被忽略的信号。事实上,在射电天文学中,最有趣的那些发现经常来自对数据的第二次甚至第三次分析,而非第一次分析。例如,首次发现来自遥远星系、被称为快速射电暴的无线电波短暂强闪,就是通过对旧的望远镜数据进行再分析得到的。

对于寻找外星人来说,一个持久的挑战是必须研发能把潜在的外星人信号与地面无线电干扰信号区分开的技术。事实上,科学家要寻找的外星人信号可能与人造电气设备发射的无线电信号相似。这类信号与自然源头(例如恒星或星系)发射的无线电信号明显有别:来自自然源头的无线电信号会随时间推移逐渐改变,而可能的外星人信号和人造电气设备信号却不会。可能来自深空外星人的无线电信号与来自手机或人造卫星的无线电信号很相似,那么科学家面临的挑战是怎样才能把两者区分开。

方法之一是先把望远镜指向—个目标(例如一颗恒星),然后再指向别处。但望远镜从这两个方向接收到的信号,都可能是人造无线电干扰信号。常规计算机算法通过比较在每次观测中探查到的信号能量水平的不同。来分析来自两个方向的信号差异。但如果来自遥远处的外星人信号微弱,被地球天空信号覆盖,这种算法就可能区分不了从两个方向来的信号,而是把它们都视为地球信号。

一些科学家希望,在区分这两个方向信号的微妙差异方面,人工智能能优于死板的能量探测算法。为此科学家先向一个机器人出示来自一部望远镜的数千次恒星观测信号,让它学会区分观测信号和人工技术干扰信号。这样一来,机器人就学会了识别混入恒星观测信号中的人造噪声信号。如果机器人发现疑似来自恒星的无线电信号,科学家就会调查信号的源头。

寻找激光

寻找外星人的科学家关注的焦点是无线电波,但无线电波并不是发送星际信息的唯一方式。外星人也有可能在纳米激光脉冲当中编码信息。虽然早在1961年激光就被认为是潜在的星际通信工具,但科学家在寻找外星人时大多遵循德雷克的方法——寻找无线电信号,其中一部分原因是无线电波为低能量,星际邮件采用无线电波来打包的成本较低。

但如果把可见光聚焦成一条窄窄的激光束,那么可见光也可能成为一种星际通信手段。当一大堆光子一次性击中望远镜,而不像来自背景星光的光子那样如滑涓细流持续、稳定地击中望远镜,就可能探测到快速激光闪耀。纳米激光脉冲的亮度远超周围的恒星。目前没有任何已知的天体物理源头能产生纳米激光信号,而通过可见光寻找外星人的技术也处在非常初级的阶段。但综合运用可见光和无线电信号,能提升科学家寻找外星人的能力。

“泛寻”团队

2019年7月,位于美国亚利桑那州弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台的“真相”望远镜阵列加入“突破聆听”。该阵列的建造目的,是探测由天体物理伽马射线击中地球大气层而产生的切伦科夫蓝光的短暂闪耀。不过,该阵列配备的快速相机也很适合寻找外星人的激光束。

“真相”团队不仅对恒星进行新的可见光观测,而且对该阵列过往探测数据进行重新分析。其中一些再分析已经产生结果,但却令一些人失望。例如,根据2016年的一份科学报告,对“真相”阵列2009~2015年对塔比星的总共9小时观测数据的再分析没有发现外星人的激光信号。一些科学家对此感到失望或不认同,因为他们推测这颗恒星周围有外星人建造的超巨大建筑环绕。他们的理由是:塔比星有奇怪的周期性变暗现象,而这种变暗可能是因为超巨大建筑运行到塔比星正前方,从而挡住了塔比星的部分星光,因此从地球上的观测角度看去这颗恒星就变暗了。

科学家希望,凭借新观测设备能大大提升通过可见光寻找外星人的能力。之前在这方面的找寻(包括“真相”阵列的观测)都是一次只观测一颗恒星几分钟。一个团队已经设计出一種新蓝图:让4个天文台致力于持续搜索来自整个可观测天空的外星人激光信号。2018年,这个被称为“泛寻”的设计首次公布。按照这一设计,其中每个天文台的圆顶上都有88个光学和近红外探测器镜头,位于北半球的两个天文台负责观测北部天空,位于南半球的两个天文台负责观测南部天空。在寻找外星人的尝试方面,对潜在探测信号的双向检验非常重要。因此,不管是在北半球还是在南半球,两部望远镜还会持续观测天空中相同的区域,由此排除地球光学污染信号。这与两对相距遥远的LIGO探测器联袂找寻被称为“引力波的宇宙涟漪”的原理相同。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:06。
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