30.4: 寻找外星情报
- Page ID
- 202149
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释为什么来自外星文明的太空飞船不太可能访问过我们
- 列举人类通过航天器上的信息与其他文明进行交流的努力
- 了解科学家正在开展的各种 SETI 项目
鉴于本章讨论的所有发展，生命似乎有可能在围绕其他恒星的许多行星上发育。 即使生命是微生物，我们也发现我们可能很快就会找到寻找化学生物特征的方法。 这种搜索对于理解生物学至关重要，但它并不能回答 “我们孤独吗？” 这个问题 这是我们在本章开头提出的。 当我们问这个问题时，许多人会想到其他聪明的生物，也许是那些已经开发出与我们自己相似的技术的生物。 如果出现了任何智能、技术文明，就像宇宙时代最近一瞬间在地球上发生的那样，我们怎么能与它们接触？
这个问题类似于与生活在地球偏远地区的人接触。 例如，如果美国的学生想与澳大利亚的学生交谈，他们有两种选择。 要么一个小组上飞机去见另一个小组，要么他们通过远程发送消息进行交流。 鉴于机票价格昂贵，大多数学生可能会选择留言路线。
同样，如果我们想接触其他恒星周围的智能生命，我们可以旅行，也可以尝试交换信息。 由于所涉及的距离很远，星际太空旅行将非常缓慢且昂贵得令人望而却步。 人类迄今为止建造的最快的航天器将需要将近8万年的时间才能到达最近的恒星。 虽然我们当然可以设计出速度更快的飞船，但我们需要它行驶的速度越快，所涉及的能源成本就越高。 要在不到人类寿命的时间内到达邻近的恒星，我们必须以接近光速行驶。 但是，在这种情况下，这笔费用将变成真正的天文数字。
星际旅行
伯纳德·奥利弗（Bernard Oliver）是一位对其他地方的生活有着浓厚兴趣的工程师，他对快速星际太空旅行的成本做出了透彻的计算。 由于我们不知道我们（或其他文明）有朝一日会开发出什么样的技术，奥利弗考虑乘坐装有 “完美发动机” 的太空飞船前往最近的恒星（然后再返回），这种发动机可以将其燃料转化为能量，效率为100％。 即使有了完美的发动机，单次往返旅程的能源成本——光速的70％，事实证明相当于美国数十万年的总电能消耗。 这种旅行的费用实际上已经超出了这个世界。
这是天文学家对不明飞行物是来自外星文明的太空飞船的说法持怀疑态度的原因之一。 考虑到所涉及的距离和能量消耗，每年声称的数十个不明飞行物（甚至是不明飞行物绑架事件）似乎不太可能是来自对地球文明如此着迷以至于他们愿意花费大量精力或时间来到达我们的其他恒星的访客。 这些访客走了这么长而昂贵的旅程，然后系统地避免联系我们的政府或政治和知识领袖，这似乎也不可信。
并非每份不明飞行物报告都得到了解释（在许多情况下，观察结果粗略或矛盾）。 但是调查几乎总是将它们转换为不明飞行物（已识别的飞行物体）或 NFO（根本不是飞行物体）。 虽然有些是恶作剧，但另一些则是自然现象，例如明亮的行星、球状闪电、火球（明亮的流星），甚至是成群的鸟类为了使腹部反射而降落在浮油中。 还有一些是人类飞机，例如缺少一些灯光的私人飞机或秘密军用飞机。 同样有趣的是，一群最热衷于观察夜空的人，业余天文学家，从未报告过不明飞行物的目击事件。 此外，没有一个不明飞行物留下过任何可以在实验室进行测试并证明其起源于非陆地的物理证据。
相信外星人正在访问地球的另一个共同方面来自难以接受人类成就的人。 例如，有许多书籍和电视节目断言人类不可能建造埃及的大金字塔，因此它们一定是外星人建造的。 复活节岛上的巨大雕像（称为摩艾岛）有时也被称为外星人建造的。 有些人甚至认为当今太空探索的成就基于外星技术。
但是，考古学和历史的证据是显而易见的：古代纪念碑是由古代人建造的，他们的大脑和聪明才智与我们今天一样有能力，尽管他们没有像你一样的电子教科书。
宇宙飞船上的消息
虽然生物的太空旅行似乎非常困难，但机器人探测器可以长距离和长时间行驶。 五艘航天器——两艘先锋号、两艘旅行者号和新视野号——现在正在离开太阳系。 按照它们的滑行速度，它们需要数十万或数百万年的时间才能接近另一颗恒星。 另一方面，它们是第一批超出我们家庭系统的人类技术产品，因此我们想在船上发布信息，以显示它们的来源。
每位 Pioneer 都带有一块牌匾，上面刻有金色阳极氧化铝板上的图案信息（图\(\PageIndex{1}\)）。 Voyagers 于 1977 年推出，附有音频和视频记录，收录了 100 多张照片和来自世界各地的精选音乐。 鉴于我们银河系区域中恒星之间的巨大空间，任何人都不太可能收到这些信息。 它们更像是一张装在瓶子里的一张纸条，被海难的水手扔进海里，人们并不期望它很快就会被发现，但希望有一天，不知何故，有人会知道寄件人的命运。
旅行者留言
《旅行者纪录》摘录：
“我们将这个信息传递到了宇宙中。 当我们的文明发生深刻变化时，它很可能会在我们的未来存活十亿年。。 如果 [另一个] 文明拦截了 Voyager 并且能理解这些录制的内容，以下是我们的信息：
这是来自遥远小世界的礼物，象征着我们的声音、科学、图像、音乐、思想和感受。 我们正在努力活下去，这样我们就可以活在你的时代里。 我们希望有一天，在解决了我们面临的问题之后，加入银河文明社区。 这张唱片代表了我们的希望和决心，以及我们在广阔而令人敬畏的宇宙中的善意。”
—1977年6月16日，美利坚合众国总统吉米·卡特
与星星沟通
如果星星之间不太可能直接拜访，那么我们必须转向其他联系方式：交换信息。 这里的消息好多了。 我们已经使用了以宇宙中最快的速度在太空中移动的信使——光或者更笼统地说是电磁波。 光以每秒 300,000 千米的速度行驶，在短短 4 年内就能到达最近的恒星，而且这样做的成本仅为发送物质物体的成本的一小部分。 这些优势是如此明显和明显，以至于我们假设任何其他开发技术的智能生物都会出现这些优势。
但是，我们可以获得各种各样的电磁辐射，从波长最长的无线电波到最短波长的伽玛射线。 哪个最适合星际交流？ 选择一个容易被星际气体和尘埃吸收的波长，或者一个不太可能穿透像我们这样的星球大气层的波长是不明智的。 我们也不想选择一个在我们附近竞争激烈的波长。
最后一个标准使选择变得更加容易：我们希望辐射足够便宜，可以大量生产。 当我们考虑所有这些要求时，无线电波被证明是最好的答案。 作为频谱中频率最低（和能量最低）的波段，它们的生产成本不是很高，我们已经将它们广泛用于地球上的通信。 它们不会被星际尘埃和气体明显吸收。 除了一些例外，它们很容易穿过地球的大气层和我们熟悉的其他行星的大气层。
宇宙大海捞针
在决定无线电是智慧文明之间最有可能的通信手段之后，我们面前还有许多问题和艰巨的任务。 我们应该发送一条消息，还是尝试接收一条消息？ 显然，如果每个文明都决定只接收，那么没有人会派遣，每个人都会失望。 另一方面，我们可能应该从倾听开始，因为我们很可能是银河系中最原始的文明之一，对交换信息感兴趣。
我们发表这种言论并不是为了侮辱人类（除了某些例外，我们非常喜欢人类）。 相反，我们基于这样一个事实，即人类能够在星际距离接收（或发送）无线电信息仅有几十年时间。 与恒星和银河系的时代相比，这仅仅是瞬间。 如果有文明在很短的时间内（从宇宙的意义上讲）在发展方面领先于我们，那么它们很可能在很多年内处于技术领先地位。
换句话说，刚起步的我们很可能是银河系中 “最年轻” 的物种，具有这种能力（参见\(\PageIndex{1}\)下文示例中的讨论）。 正如社区中最年轻的成员经常被告知要保持安静，在他们说些愚蠢的话之前先听长辈的话一会儿，我们也可能想通过倾听来开始外星交流的练习。
但是，即使将我们的活动局限于倾听，也会给我们带来一系列具有挑战性的问题。 例如，如果外星文明的信号太弱而无法被我们现在的射电望远镜探测到，我们就无法探测到它们。 此外，对于一个外星文明来说，在大量频道上广播会非常昂贵。 最有可能的是，他们为自己的特定消息选择一个或几个频道。 在窄带信道上进行通信还有助于区分人工消息和来自自然宇宙过程的无线电静电。 但是无线电波段包含了天文数字上大量的可能信道。 我们怎样才能事先知道他们选择了哪一个，以及他们是如何将信息编码到信号中的？
下表\(\PageIndex{1}\)总结了科学家在尝试收听来自遥远文明的广播信息时必须努力应对的这些因素和其他因素。 因为他们的成功要么取决于正确猜测这么多因素，要么搜索每个因素的所有可能性，所以一些科学家将他们的追求与在大海捞针中寻找针头进行了比较。 因此，他们喜欢说表中的因素列表\(\PageIndex{1}\)定义了宇宙大海捞针问题。
| 因素 |
|---|
| 信息来自哪个方向（哪颗星）？ |
| 在什么频道（或频率）上广播消息？ |
| 频道的频率有多宽？ |
| 信号有多强（我们的射电望远镜能检测到吗）？ |
| 信号是连续的，还是有时会关闭（例如，灯塔光束在远离我们时会关闭）？ |
| 信号的频率漂移（变化）是不是因为信号源和接收器的相对运动变化而发生的？ |
| 信号中的消息是如何编码的（我们如何解密它）？ |
| 我们甚至能认出来自完全外来物种的信息吗？ 可能会采取我们根本没想到的形式吗？ |
电台搜索
尽管宇宙大海捞针问题似乎令人生畏，但天文学中的许多其他研究问题也需要投入大量的时间、设备和耐心的努力。 当然，如果我们不搜索，我们肯定找不到任何东西。
第一次搜索是由天文学家弗兰克·德雷克在 1960 年使用国家射电天文台的 85 英尺天线进行的（图\(\PageIndex{2}\)）。 他的实验以 L. Frank Baum 儿童故事中的异国情调绿野仙踪女王的名字命名为 Project Ozma，涉及在 200 个小时内观察大约 7200 个频道和附近的两颗恒星。 尽管他什么也没找到，但德雷克证明了我们拥有进行此类搜索的技术，并为接下来的更复杂的项目奠定了基础。
接收器在不断改进，SETI 程序（SETI 代表寻找外星情报）的灵敏度正在迅速提高。 同样重要的是，现代电子设备和软件允许同时搜索数百万个频率（信道）。 如果我们可以这样覆盖很宽的频率范围，那么猜测正确频率的宇宙大海捞针问题就会基本消失。 北加州的艾伦望远镜是为SETI搜索而建造的一个强大的望远镜阵列（由微软创始人保罗·艾伦的初始捐款资助）。 其他用于此类搜索的射电望远镜包括波多黎各的巨型阿雷西博无线电天线、中国最近完工甚至更大的FAST天线，以及西弗吉尼亚州的绿岸望远镜，这是世界上最大的可操纵射电望远镜。
我们希望得到什么样的信号？ 我们在地球上无意中发出了大量以军用雷达系统为主的无线电信号。 这是一种泄漏信号，类似于设计不良的路灯和广告招牌向上发射的浪费光能。 我们能否发现来自另一个文明的类似无线电信号泄露情况？ 答案只是勉强，但仅限于最近的恒星。 因此，在大多数情况下，假设文明可能故意引起人们对自己的注意，或者可能向另一个世界或朝着我们方向的前哨基地发送信息，SETI目前的电台搜索是在寻找信标。 我们的成功前景取决于文明出现的频率，它们持续多长时间，以及他们对向宇宙广播其位置的耐心程度。
吉尔·塔特：正在尝试联系
对于 SETI 领域的世界领先科学家之一吉尔·康奈尔·塔特（图\(\PageIndex{3}\)）来说，1997 年是相当长的一年。 SETI Institute 宣布，她将获得为纪念伯纳德·奥利弗而命名的第一位捐赠主席（相当于天赋研究教授职位）。 美国国家科学基金会（National Science Foundation）批准了她领导的一群科学家和教育工作者提出的提案，该提案旨在根据宇宙进化思想（本章的主题）开发创新的动手高中课程。 而且，大约在同一时间，她被媒体采访的请求所困扰，因为新闻报道称她是卡尔·萨根关于SETI的畅销小说《联系人》的主角艾莉·阿罗威的模特。 这本书被拍成一部高预算的科幻电影，由朱迪·福斯特主演，他在担任这个角色之前曾与塔特交谈。
塔特很快指出：“卡尔·萨根写了一本关于一个做我所做的事情的女人的书，而不是关于我的书。” 尽管如此，作为SETI这个小领域中唯一一位担任如此高级职位的女性，她还是广受公众关注的焦点。 （但是，同事和记者指出，与她成功搜寻来自其他文明的无线电信号时会发生的情况相比，这算不上什么。）
对于塔特来说，成为小组中唯一的女性并不是什么新情况，她经常发现自己是高级科学或数学课上唯一的女性。 她的父亲鼓励了她，既是因为她对科学感兴趣，也是 “修补”。 作为康奈尔大学的本科生，她主修工程物理学。 这种训练成为组建和维护复杂系统的关键，这些系统可以自动扫描来自其他文明的信号。
她转向天体物理学攻读研究生，撰写了一篇博士论文，除其他主题外，该论文还考虑了失效恒星的形成，这些恒星的质量不足以点燃为更大质量的恒星提供动力的核反应，比如我们自己的太阳。 塔特为这些小而昏暗的物体创造了 “褐矮星” 一词，从那以后它一直是天文学家使用的名字。
正是在她还在读研究生的时候，加州大学伯克利分校的一位教授斯图尔特·鲍耶（Stuart Bowyer）问她是否想参与一个小型实验，吸收射电望远镜发出的少量辐射，就像天文学家年复一年地使用射电望远镜一样，看看是否有任何暗示无线电噪音中埋有智能编码的无线电消息。 她的工程和计算机编程技能对该项目至关重要，不久她就迷上了在其他地方寻找生活的乐趣。
因此，吉尔·塔特开始了全职寻找外星文明的辉煌职业生涯，这使吉尔·塔特获得了许多奖项，包括 2002 年当选为美国科学促进协会会员、2003 年当选阿德勒天文馆太空科学女性奖和 2009 年 TED奖品。
观看吉尔·塔特关于搜寻情报的迷恋的 TE D 演讲。
示例\(\PageIndex{1}\)：德雷克方程
在第一次专门讨论SETI的科学会议上，弗兰克·德雷克在黑板上写了一个方程式，提出了估计银河系中文明数量的难题，并将其分解为一系列更小、更易于管理的问题。 从那时起，天文学家和学生都使用这个德雷克方程作为解决最具挑战性的问题的手段：我们孤独的可能性有多大？ 由于目前这是一个无法回答的问题，天文学家吉尔·塔特称德雷克方程为 “组织我们无知的方式”。 （参见图\(\PageIndex{4}\)。）
德雷克方程的形式非常简单。 为了估计银河系中目前存在的通信文明的数量（稍后我们将更仔细地定义这些术语），我们将此类文明的形成速度（每年数量）乘以其平均寿命（以年为单位）。 在符号中，
\[N=R_{\text{total}} \times L \nonumber\]
但是，为了使这个公式更易于使用（也更有趣），德雷克\(R_{\text{total}}\)将形成速率分为一系列概率：
\[R_{\text{total}} = R_{\text{star}} \times f_{\text{p}} \times f_{\text{e}} \times f_{\text{l}} \times f_{\text{i}} \times f_{\text{c}} \nonumber\]
\(R_{\text{star}}\)是我们银河系中像太阳这样的恒星的形成速度，大致相当于每年大约 10 颗恒星。 其他每个项都是一个分数或概率（小于或等于1.0），而所有这些概率的乘积本身就是每颗恒星拥有一个我们可能想与之交谈的智能、技术、沟通文明的总概率。 我们有：
- \(f_{\text{p}}\)= 这些恒星中有行星的比例
- \(f_{\text{e}}\)= 包含可居住行星的行星系统的比例
- \(f_{\text{l}}\)= 实际维持生命的可居住行星的比例
- \(f_{\text{i}}\)= 开发高级智能的有人居住的行星的比例
- \(f_{\text{c}}\)= 这些智慧文明中发展科学和技术以建造射电望远镜和发射器的比例
这些因素中的每一个都可以讨论，也许可以评估，但我们必须猜测其中的许多值。 特别是，我们不知道如何计算地球上曾经发生过但在其他地方尚未观察到的某件事的概率，其中包括生命的发展、智能生命和技术生命的发展（方程中的最后三个因素）。 估计德雷克方程项的一个重要进展来自于最近发现的系外行星。 最初编写德雷克方程时，没有人知道行星和行星系统是否常见。 现在我们知道了，这是哥白尼原理的又一个例子。
解决方案
即使我们不知道答案，我们也可以进行一些猜测并计算出结果数字\(N\)。 让我们从哥白尼原则中隐含的乐观情绪开始，将最后三个项设置为等于1.0。 如果\(R\)是 10 颗星/年，如果我们以年为单位衡量科技文明的平均寿命，则以年为单位取消。 如果我们还假设\(f_{\text{p}}\)它是 0.1，并且\(f_{\text{e}}\)是 1.0，则方程变为
\[N=R_{\text{total}} \times L = L \nonumber\]
现在我们明白了沟通文明的生命周期\(L\)（以年为单位）这个词的重要性。 我们拥有这种能力（在恒星的距离进行通信）仅有几十年了。
练习\(\PageIndex{1}\)
假设我们假设我们历史上的这个阶段只持续了一个世纪。
- 回答
-
根据我们对其他因素的乐观假设，\(L\)= 100 年，\(N\)= 整个银河系中有 100 个这样的文明。 在这种情况下，像我们这样的其他文明太少了，以至于我们不太可能在SETI搜索中发现任何信号。 但是假设平均寿命为一百万年；在这种情况下，银河系中有100万个这样的文明，其中一些可能在无线电通信的范围内。
从这个计算中得出的最重要的结论是，即使我们对概率非常乐观，但我们期望SETI成功的唯一方法是其他文明是否比我们的文明古老得多（因此可能要先进得多）。
阅读弗兰克·德雷克自己的叙述，讲述他是如何想出自己的 “方程式” 的。 这是这本教科书的一位作者最近对弗兰克·德雷克的采访。
无线电领域之外的 SETI
出于上述原因，大多数SETI程序都在无线电波长下搜索信号。 但是在科学领域，如果还有其他方法可以回答未解决的问题，我们不想忽视它们。 因此，天文学家一直在思考其他方法，我们可以收集证据，证明技术先进的文明的存在。
最近，科技使天文学家得以将搜索范围扩展到可见光领域。 你可能会认为，鉴于行星运行的恒星的亮度，尝试探测来自行星的可见光闪光是没有希望的。 这就是为什么我们通常无法测量其他恒星周围行星的反射光的原因。 地球微弱的光线只是被附近的 “大光” 所淹没。 因此，另一个文明需要一个强大的信标才能与他们的恒星竞争。
但是，近年来，人类工程师已经学会了如何使闪光比太阳更亮。 诀窍是在很短的时间内 “打开” 灯，这样成本就可以控制了。 但是，超亮、超短的激光脉冲（运行周期为十亿分之一秒）可以消耗大量能量，并且可以编码以传递信息。 我们还拥有探测如此短脉冲的技术，不是用人类的感官来探测的，而是使用特殊的探测器，这些探测器可以 “调整” 以自动寻找来自附近恒星的如此短的光束。
为什么任何文明都会试图用这种方式超越自己的恒星？ 事实证明，向几颗有前途的恒星的方向发送超短激光脉冲的成本可能低于在整个天空中连续发射无线电信息的成本。 或者，也许他们也特别喜欢光信息，因为他们的一种感官是通过光进化而来的。 现在有几个程序正在试验 “光学 SETI” 搜索，这只能用一台普通的望远镜完成。 （这里的光学术语是指使用可见光。）
如果我们让想象力扩大，我们可能会想到其他可能性。 如果一个真正先进的文明决定（或需要）翻新其行星系统以最大限度地利用生命面积，该怎么办？ 它可以通过分解一些行星或卫星，建造一个围绕或包围恒星并拦截其部分或全部光的固体物质环来做到这一点。 这个巨大的人造环或球体在红外波长下可能会发出非常明亮的光芒，因为它接收的星光最终会转化为热量并重新辐射到太空中。 我们的仪器可以探测到红外辐射，寻找此类红外源的工作也在进行中（图\(\PageIndex{5}\)）。
除了聆听之外，我们还应该传输吗？
我们的星球有一些无线电波从调频广播、电视、军用雷达以及地球与轨道航天器之间的通信泄漏到太空中。 但是，这种泄漏辐射仍然很弱，因此至少在我们拥有的无线电技术下，很难在恒星的远处探测到。 因此，目前，我们尝试与可能存在的其他文明进行沟通，主要是尝试接收信息，而不是自己发送任何信息。
但是，一些科学家认为，从其他文明寻找信标而不以类似方式宣布我们的存在是不一致的。 （我们之前讨论过这样一个问题：如果其他所有文明都局限于倾听，没有人能取得联系。） 那么，我们是否应该定期尝试将易于解码的消息发送到太空呢？ 一些科学家警告说，我们的文明还太不成熟，没有防御能力，无法在我们发展的早期阶段宣布自己。 事实证明，是否传播的决定有趣地反映了我们对自己的感受以及我们在宇宙中的位置。
关于传播的讨论提出了谁应该为地球说话的问题。 今天，任何人都可以广播无线电信号，许多企业、宗教团体和政府也是如此。 对于同样的组织来说，使用或建造大型射电望远镜并开始故意传输，这种传输比当今从地球泄漏的信号强得多，那将是一个微不足道的步骤。 而且，如果我们拦截来自外星文明的信号，那么问题就出现了是否回应。
谁应该决定人类是否、何时以及如何向宇宙宣布自己？ 在向其他文明发送无线电信息时有言论自由吗？ 在我们发出足够强的信号以至于很有可能在恒星的远处接收到信号之前，地球上的所有国家都必须达成共识吗？ 我们的物种如何就这类问题做出决定很可能是对地球上是否存在智慧生命的考验。
结论
无论我们最终是否成为银河系中唯一的聪明物种，我们对宇宙的探索肯定会继续。 这项探索的一个重要部分仍将是从有人居住的行星中寻找生物标志物，这些行星尚未产生发出无线电信号的技术生物。 毕竟，蝴蝶和海豚这样的生物可能永远不会建造无线电天线，但我们很乐意与它们共享我们的星球，也很高兴在其他世界找到它们的对应物。
生命是否存在于其他地方只是我们在本书中讨论的天文学中尚未解决的问题之一。 谦虚地承认我们还有多少东西要学习宇宙是科学的基本标志之一。 但是，这不应该阻止我们对已经设法发现了多少东西感到兴奋，也不会阻止我们对未来几年可能发现的其他东西感到好奇。
我们关于天文学思想的进度报告到此结束，但我们希望你对宇宙的兴趣不感兴趣。 我们希望你能通过媒体和网络或偶尔参加当地科学家的公开讲座，了解天文学的发展。 毕竟，谁能猜出未来的研究项目将揭示的关于宇宙以及我们与宇宙的联系的所有奇妙事物？
摘要
一些天文学家正在寻找外星情报（SETI）。 由于其他行星系统距离太远，因此前往恒星要么非常缓慢，要么非常昂贵（就所需的能量而言）。 尽管有许多不明飞行物的报道和媒体的大量宣传，但没有证据表明其中任何报道与外星访问有关。 科学家们已经确定，与任何智慧文明进行通信的最佳方式是使用电磁波，而无线电波似乎最适合这项任务。 到目前为止，他们才刚刚开始梳理许多不同的可能的恒星、频率、信号类型以及构成我们所谓的宇宙大海捞针问题的其他因素。 一些天文学家还在寻找先进文明大型建筑项目的短暂而明亮的可见光脉冲和红外信号。 如果有一天我们能找到信号，那么决定是否回答、回答什么可能是人类将面临的两个最大挑战。
词汇表
- 德雷克方程
- 弗兰克·德雷克（Frank Drake）首次提出的估算银河系中智能科技文明数量的公式
- SETI
- 寻找外星情报；通常用于搜索来自其他文明的无线电信号