搜尋地外文明，一二十年內見分曉？

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群山之中的FAST工程(2016年9月24日攝)。新華社記者劉續攝

1977年8月,傑瑞·艾曼通過巨耳射電望遠鏡發現了持續72秒的神秘信號,並在列印信號的記錄上寫下了一個「Wow!」,這個信號也因此得名。網路圖片

這張概念圖展示了美國宇航局可用於搜尋外星生命跡象的一系列航天計劃。美國宇航局官網圖片

編者按:春節前後,好萊塢科幻大片《降臨》在國內熱映,講述了一個人類嘗試破解外星語言之謎的故事。

從2013年上映的《地心引力》開始,《星際穿越》《火星救援》《星球大戰7》《降臨》……幾乎每年都有一部與宇宙探索相關的經典科幻電影問世。人類對這一題材的鐘愛可以上溯到1902年推出的史上第一部科幻片《月球旅行記》。

如果「簡單粗暴」地概括一下,這類作品的主要內容大致分為「地球人去太空看看」「外星人來地球轉轉」兩種。

隨著航天事業的發展,前者已經從銀幕照進現實。人類早已在月球表面留下腳印,並向其他星球發起了衝鋒,中國也在加快太空探索的步伐:我國計劃於今年下半年發射「嫦娥五號」月球探測器、2020年發射首顆火星探測器、未來還將進行一次小行星探測,規劃一次木星探測……

外星人與人類的交流與衝突,是科幻作品關注的另一題材,從《E.T.》到《三體》莫不如此。包括中國科學家在內,全球許多科研團隊都在為尋找外星生命而努力,目的不是「獵奇」,更不是挑起「星球大戰」,而是通過探尋外星生命的蛛絲馬跡,反照自身,解開生命起源等一系列「終極謎題」。

「我們是孤獨的嗎?」

從開始仰望星空那時起,人類對這個問題的思考和探索就從未停止過。儘管近半個世紀以來搜尋地外文明的努力沒有獲得半點迴音,但科學家們越來越相信,他們或許在今後一二十年內就能找到答案。

「我們處在一個比較特殊的時代,隨著下一代巨型望遠鏡的問世,近一二十年內可能有比較激動人心的發現。」清華大學天體物理研究所所長、國家天文台星系和宇宙學部主任毛淑德說。

主流的科學觀點認為宇宙中很可能存在外星智慧生命,主要理由有三:第一,太陽是宇宙中一顆普通的恆星,與其類似的恆星僅在銀河系中就有成百上千萬顆,這還不算數百億個其他星系；第二,太陽有自己的行星系統,其他恆星也有自己的行星系統,與地球環境類似的行星應該大量存在；第三,地球上沒有宇宙中不存在的特殊物質(元素),地球上能形成智慧生命,與地球類似的其他行星也完全有這種可能性。

「我覺得,宇宙中應該存在很多生命,其中很可能包含智慧生命。」毛淑德說,「但作為科學家,我們必須找到證據。」

尋找類地行星

如果有外星生命,他們能住在哪裡?

擁有充足的陽光、溫暖的水域以及能起到保護作用的大氣層——在茫茫宇宙中找到一顆類似地球的行星,是尋找外星人最常見的思路。

「現在,我們找的是像我們自己這樣的生命形式,至少,我們知道,這樣的生命需要什麼條件,比如水的存在就很重要。所以,科學家一般都在類似太陽的恆星周圍尋找行星,並提出了『宜居帶』的概念。」毛淑德說。

所謂「宜居帶」,是指行星處在適合生命生存的地帶。在這種情況下,行星與恆星的距離非常合適,使得行星表面具備存在液態水的可能性。

最近十多年來,全球的科學家通過各種方法,已經確認了3000多顆系外行星。2016年,中國科學家也通過南極大視場巡天望遠鏡陣列,首次批量發現了58個系外行星候選體。這些發現進一步證實:地球並不特殊,潛在的類地行星可能多如牛毛。

不過,在這些系外行星中,只有數十顆和地球比較接近。「天文學家首先要把最可能的樣本挑出來,然後才能進行下一步分析研究,甚至和對方展開通訊聯繫,這都是以後要想的事情。」毛淑德說。

接下來,如果要研究系外行星的大氣成分,望遠鏡須具備很高的對比度。地球的光度是太陽的一億分之一到一百億分之一,而現在望遠鏡的對比度僅能達到一萬分之一到十萬分之一。「有些科學問題,現在最大的望遠鏡已經無法突破了。」毛淑德說。他指出,下一代巨型望遠鏡將有助於解決這些難題,比如分析系外行星的光譜等,使得尋找和辨別生命存在的跡象成為可能。

生命跡象是指生命存在可能表現出來的一些元素,比如氧分子、臭氧分子等。「如果沒有生命的話,這些元素存在的時間和宇宙137億年的歷史相比,實在如曇花一現。氧氣就很容易和其他元素產生反應,火星之所以呈現紅色正是氧化的結果。」毛淑德說,「如果通過分析系外行星的光譜,發現它的大氣層中存在很多這樣的元素,很可能是由生命造成的。」

天文學家不僅期待下一代望遠鏡為觀測插上新的翅膀,同時也在孜孜以求另一項重要技術——自適應光學技術取得更大突破。兩相結合——配備了自適應光學系統的下一代地基望遠鏡,包括國際三十米望遠鏡、美國的巨型麥哲倫望遠鏡以及歐洲的甚大望遠鏡等,將在未來的天文觀測中發揮中流砥柱的作用。

在此之前,由於大氣擾動的影響,無論望遠鏡的口徑如何增大,觀測的天體並不因此而變得更加清晰。自適應光學技術通過每時每刻修正大氣擾動所造成的圖像畸變,使星像還原,解決了這一困擾天文學領域三百多年的難題。

中國科學院國家天文台副研究員馮麓指出,相較太空望遠鏡,地基望遠鏡後端可接駁的儀器更豐富、口徑更大、看得更深,可用於觀測的時間也更多。自適應光學技術使地基望遠鏡的解析度接近甚至超過太空望遠鏡的水平,很多以前在地面難以實現的觀測內容將得以開展,比如對系外行星候選目標進行跟蹤觀測等。

自適應光學技術正主導著地基天文學的革命,而下一代太空望遠鏡也將取得革命性的突破。美國宇航局將於2017年發射的系外行星勘測衛星(TESS)便是其中之一。

TESS的前輩開普勒太空望遠鏡於2009年發射升空,是世界上首個專門用於搜尋系外行星的航天器,有「行星神探」之稱。迄今為止,開普勒一共確認了2300多顆系外行星,超過人類發現的系外行星總數的60%。

不同的是,TESS是一個全天的巡天望遠鏡,而開普勒始終盯著天鵝座附近的一小塊天區持續觀測。「更重要的是,TESS能在亮星邊上尋找系外行星。最終確定是不是系外行星,以及繼續分析行星的物理性質,都更容易做到。開普勒找到的很多行星都在暗星邊上,很難開展後續研究。」毛淑德說。

「TESS從完全不同的維度上進行觀測,找到的數目不一定更多,但在質量上會有一個突變。」他說。

「監聽」宇宙信號

外星人對地球人,會怎樣「打招呼」?

除了主動搜尋類地行星,科學家還通過射電望遠鏡來「監聽」宇宙信號,因為外星文明在演化過程中很可能會產生並向宇宙釋放無線電波。

最早開始「監聽」宇宙的是美國的天體物理學家弗蘭克·德雷克。1960年,他使用位於西弗吉尼亞的綠岸射電望遠鏡,啟動了一項名為「奧茲瑪」的計劃,搜尋來自鄰近太陽系的生物標誌信號。雖然「奧茲瑪」計劃最終一無所獲,但卻催生了數十個搜尋地外文明的計劃。

不過,對充滿背景噪音的宇宙進行「監聽」,工作量實在大得驚人。美國加州大學伯克利分校空間科學實驗室於1999年發起了SETI@home項目,旨在利用全球聯網的計算機共同搜尋地外文明,志願者可以通過運行一個免費程序下載並分析從射電望遠鏡傳來的數據。搜尋的目標是那些不能歸類為「噪音」的信號變化。

據項目聯合創始人及首席科學家丹·沃西默介紹,觀測數據來自位於波多黎各的阿雷西博望遠鏡以及位於美國西弗吉尼亞州的綠岸望遠鏡。

「我們發現了大約100個可疑又無法理解的非常短暫的射電爆發,短到只有百萬分之一秒那麼長。」沃西默在回復給記者的電子郵件中說,不過,還無法排除這些信號是來自地球無線電通信的干擾。

迄今為止,能夠證實地外文明的「智慧信號」仍然沒有現身。「人類進行無線電廣播不過只有100多年的歷史,發射激光也才大約60年。」沃西默說,「遊戲才剛剛開始,我們只是初級玩家。」

「好消息是,地球人的本領在不斷增強。比如,計算機的運算速度越來越快,FAST望遠鏡就非常強大。」他說。

2016年9月25日,位於貴州黔南州平塘縣克度鎮的「500米口徑球面射電望遠鏡」(FAST)正式啟用。它的接收面積相當於30個足球場,擁有6670根主索和4450塊反射面板,是目前世界上最大的射電望遠鏡。

在FAST的眾多用途中,最令媒體和大眾感興趣的仍是尋找外星人。「FAST找外星人信號的優勢在於它更靈敏,能看得更遠,看得更多。」中科院國家天文台FAST項目副總工程師李菂說。

據李菂介紹,與俄羅斯富豪米爾納和英國物理學家霍金啟動的搜索外星智慧生命的「突破聆聽」計劃中的幾台望遠鏡相比,FAST能接收到微弱10倍的信號。

沃西默想藉助FAST來推進SETI@home項目。「我們希望與中國合作,在望遠鏡巡天觀測脈衝星、射電爆發以及繪製銀河地圖的同時,也可以搜尋地外文明的信號。」李菂則表示,對方的經驗和先進技術可幫助中方提高望遠鏡的科學能力和工作條件。「與他們合作,無論是找外星人還是做其他科學研究,都能讓我們站在巨人的肩膀上。」

事實上,在過去半個多世紀里,科學家已藉助射電望遠鏡探測到一些有趣的信號。1977年8月15日,在美國俄亥俄州,一部名為「巨耳」的射電望遠鏡在對人馬座進行觀測時發現了一個有規律的信號。這個信號持續了72秒,研究人員隨手在列印信號的記錄上寫下了一個「Wow!」,這個信號也因此得名。不過,從那以後,這個信號就再未出現過。

「現在,人們是發現了一些可疑信號,但是沒有辦法確認,因為這些信號沒有重複。」李菂說。

天文學家有時也會被「迷惑」,將天體事件的規律信號當成智慧生物的通信行為。比如,當脈衝星穩定的周期信號第一次被捕捉到時,就曾被誤以為是來自外星文明。

「我們不知道什麼時候才能發現外星人,可能要1000年,也可能在我們有生之年,當然,也可能就在今年FAST開始巡天觀測以後。」沃西默說。

曠日持久的辯論

要是外星人來了,會不會「稱霸地球」?

以地球為藍本搜尋類地行星和無線電波進而尋找外星生命的方法,多年來也引發了不少質疑。僅僅在地球上,陸地和海洋就孕育出完全不同的物種,不同的星球環境及其演化過程也可能產生完全不同的生命形態。

「其他星球上的智慧生命可能不是碳基生物,而是與地球生命完全不同的類型。」北京天文館副館長景海榮說。

科幻作家、憑藉《三體》獲得雨果獎的劉慈欣也忍不住懷疑:是不是尋找方法出現了問題?「真正先進的文明進行通信時不一定是用電磁波,很可能使用其他更為高級的通信形式,比如引力波等。」

「我覺得,各種方法都要試一試,誰知道他們什麼樣、怎麼想的呢?」毛淑德指出,當研究生命這樣的本源問題時,如果只有地球一個樣本,很容易鑽牛角尖；找到更多樣本,看問題才能更全面,有關生命的謎題才更容易解開。

他舉例說,一開始,科學家們認為,圍繞著太陽一樣的恆星旋轉的行星,其周期會長達一年左右,所以很難被發現。結果,第一顆被發現的系外行星公轉周期只有4天。「這比想像中容易多了,大家都不敢相信,思維完全被太陽系這個樣本限制住了。」

「如果真的發現了外星生命,我們得問一問:它在宇宙中是怎麼擴散的?是均勻的,還是成團的?」毛淑德說。

然而,要不要和外星人聯繫,最近十年逐漸成為一個有爭議的話題。霍金就曾警告人類應當想盡一切辦法避免與這些外星生命接觸,如果他們來拜訪人類,其結果可能會像哥倫布踏足美洲大陸一樣,對當地土著造成不利。而《三體》則提出了「黑暗森林」理論——宇宙中的每個文明都是帶槍的獵人,誰先亮起火光,誰就會被消滅。

科幻作家韓松則認為,人類在演化中,充滿了對聯繫的興趣,互聯網得以問世就是一個證據。「渴望聯繫是生物的本能。」

韓松同時指出,尋找並聯繫外星人的動因,同時還有好奇心的驅使和功利性的需求。「與外星人聯繫,特別是與那些具有更先進文明的外星人聯繫,或許會帶來文明的躍進。有些國家如果先聯繫上外星人,就可能利用其稱霸地球,稱霸太空。」

然而,不論理論如何,科學家一直未曾放棄過搜索外星文明的努力。「我覺得,可以對外呼喊,而且我們已經喊了好多年了,我們的廣播電視全都在向外傳播信號。」毛淑德說,「你總想看看,自己的同伴是誰吧?」

「有人擔心,他們會來爭奪資源,如果他們真的具有高得多的智慧,為什麼不能改造一個地球呢?消滅我們,猶如消滅螞蟻一樣,對他們來說有什麼意義呢?」毛淑德說。

不過,劉慈欣認為,如果外星人真有比我們高得多的文明,也可能造成兩者之間完全無法理解和溝通。「對於很高等的文明,像生存啊、利益啊這些地球文明最基本的概念可能根本不存在。你說兩者之間怎麼交談?」劉慈欣說。

對於能不能找到外星人,毛淑德認為,不要一下子就說不可能。「科學家認為不可能、最後卻實現的事情太多了,至少要保持開放的心態。」

「如果找到了,這無疑會成為人類歷史上最重要的科學發現；如果找不到,也說明生命的形成是極為偶然的,我們要好好珍視自己、尊重生命。不論結果如何,都非常重要,所以,不管怎樣,我們都要去做這件事,也希望這裡面有中國人的貢獻和聲音。」毛淑德說。（記者全曉書、喻菲）

責任編輯：汪亞

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責編：海聞