作者简介：宋高鹤(北京师范大学天文系研究生，教授，博士生导师)

人类是宇宙中唯一的智慧生命吗？到底有没有外星人？如何找到外星人？日前，北京师范大学高和教授领导的研究团队进行了一项模拟研究。结果显示，即使在最乐观的情况下，人类也至少需要2000年才能接收到外星人的信号。在悲观的情况下，接收到一个信号至少需要40万年。我们统称地球以外的智慧生命为外星人(ET)。1950年，来自意大利的诺贝尔奖获得者、物理学家恩里科费尔米(EnricoFermi)在一次非正式会议中提出：“如果外星文明真的存在，那么它们在哪里？为什么到目前为止没有证据表明他们造访过地球？”这就是著名的费米悖论——。如果外星人真的存在，为什么我们从来没有收到过外星人的信号？要想科学地搜寻外星人，必须从天文学入手。随着19世纪电磁辐射的发现和20世纪天文射电望远镜的发明和发展，寻找地外文明的计划逐渐科学化，成为天文学的一个重要领域。

寻找外星人是一项严肃的科学研究。

随着无线电波在地球上的广泛应用，人们开始猜测，也许外星人也有无线电技术，向宇宙中发送广播信号，那么他们就可以通过捕捉外星人发出的无线电信号来证明自己的存在。

1959年，PhillipMorrison和GiuseppeCocconi两位天文学家设计了一个思想实验，即将世界上最强大的雷达发射机对准一个巨大的接收天线，计算发射机和接收机之间建立无线电连接的最长距离。结果表明，即使发射器和接收器相距光年(光在真空中传播一年的距离)，也能接收到无线电信号。这个结果促使两位科学家在《自然》杂志上发表了一篇论文，讨论外星人无线电通讯的问题。3354既然可以捕获信号，那么应该捕获什么频率的信号呢？Cocconi和Morrison提出无线电频段的一个普适唯一频率是1.42GHz，即21cm中性氢，广泛存在于宇宙中；另一个频段是1400MHz-1700MHz(哦)。由于氢和羟基结合形成水，其辐射发射的频率称为“水孔”。他们认为，因为这些频率与地球上的生命有关，所以在这些频率附近搜索外星人是合理的。

1960年，弗兰克德雷克首次对寻找外星智能(SETI)进行了无线电观测，这被称为Ozma计划。研究人员利用美国西弗吉尼亚州国家射电天文台的26米塔特尔射电望远镜，搜索了距离我们分别为10.2光年和11.9光年的两颗类太阳恒星天威2号和天威5号的氢频率附近的无线电信号。但我一无所获。

此后，美国、苏联、澳大利亚、加拿大、法国、荷兰、英国等国进行了60多次不同频率的搜索，从010时至31019时累计搜索时间超过20万小时。

美国国家航空航天局(NASA)的科学家在1992年使用射电望远镜搜寻外星人信号。搜索主要由两个小组进行。其中一个团队使用埃姆斯研究中心的“目标搜索”技术，在1GHz-3GHz的频段内探测了距离地球80光年的约800颗类太阳恒星，而另一个团队则使用美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠的戈德西通望远镜群中的34米射电望远镜“全天巡天”。不幸的是，一年后，由于缺乏资金，全天搜索项目终止，而“目标搜索”更名为“凤凰计划”，并于1995年重新开放，用位于澳大利亚新南威尔士的直径64米的帕克斯射电望远镜进行观测。1998年，阿雷西博射电望远镜参与了寻找凤凰计划，这是当时世界上单口径最大的射电望远镜，直径达到305米。凤凰计划在近10年的工作中，观测了距离地球200光年的约800个恒星系统，频率覆盖范围为1200-3000 MHz，是最广泛的地外文明射电搜索计划之一。

因为制造大量小型天线的成本比制造一个特大天线的成本低，而且天线阵可以在给定的范围内观测更多的目标时间年，在微软联合创始人PaulAllen的资金支持下，建成了第一个专用于SETI观测的射电望远镜3354 Allen望远镜阵。艾伦望远镜阵列由42个碟形天线组成，可以同时收听7200万个1Hz的无线电频道。艾伦望远镜阵列使SETI的搜索速度提高至少提高了100倍，这是SETI发展的关键一步。此后，20世纪90年代，世界各地开展了许多SETI观测项目。

值得一提的是，弗兰克德雷克在格林班克天文台的一次讨论地外智慧生命的会议上提出，可以用一个方程来估算银河系中外星文明的数量，即著名的德雷克方程N=R * fpneflfifcL。其中n是银河系中外星文明的数量；R*是银河系的恒星形成率；Fp是拥有行星系统的恒星比例；Ne是每个太阳系中适宜生存环境的行星数量；Fl是这些能够孕育生命的星球实际上发展出生命的比例；Fi有生命的行星中智慧生命的比例；Fc是有智慧生命的星球发展成文明并发出可探测信号的比例；l是高级文明的平均寿命，或者说是智能文明掌握可通信技术后的生存时间时间。前三个参数关系到天文观测和天体物理的发展，后四个参数关系到生物学、化学、社会学等诸多学科，充满不确定性。

这个方程无解，但它可以提供一个启发性的指导。大多数理论研究试图重写德雷克方程的形式，或者关注其中一个方程的影响。即使不能给出准确的答案，但给出了合理的假设结构。修改或限制每一个参数都会带来新的结果和思考。

人类应该主动发出信号吗？

随着寻找地外文明研究的深入，人们开始意识到，除了监听信号之外，他们或许还能向太空发送信号。1971年，美国国家科学院和苏联科学院在比拉坎天体物理天文台举行了第一次苏美与地外智能的通信会议。会议讨论了无线电搜索的方法、技术和后果、信息内容等。

这些讨论很快被付诸实践。1972年和1973年，美国发射的先锋10号和先锋11号宇宙飞船携带了一块金属板，称为先锋牌匾。先锋牌匾由CarlSagan和FrankDrake共同设计。信息包括太阳在星系中的相对位置和太阳系的分布，地球的位置，飞船的轮廓和男女草图。这是人类向太空发出的第一条信息。

1974年11月，FrankDrake带领他的团队利用阿雷西博射电望远镜向距离我们大约25000光年的球状星团M13发送了一条名为“阿雷西博讯息”的无线电信息。内容包括五个有生物学意义的原子(H、C、O、N、P)；DNA双螺旋结构示意图；描述人、太阳系和阿雷西博天文台等。

1977年，美国宇航局发射了两个太空探测器，旅行者1号和旅行者2号，它们飞出了太阳系，每个都携带了一张名为“地球之声”的旅行者金唱片。这张唱片刻录了各种天籁之音，精选了不同文化、不同时代的音乐，55种古今语言的口语问候。除此之外，它还用莫尔斯电码写出了“冲破黑暗，面向光明”等鼓舞人心的信息；同时，该画册收集了116幅图像，涉及数学和物理量、太阳系及其行星、DNA、人体解剖和生殖。除了人类拍摄的照片，它还包括一些动物、昆虫、植物和风景的照片。值得一提的是，这张唱片的封面是铝制的，上面电镀了铀-238同位素的超纯样品，而铀-238的半衰期为44.68亿年，这使得满足黄金唱片的文明可以利用剩余铀与其他元素的比例来确定唱片年龄。

然而，人们是应该被动寻找外星文明留下的技术签名，还是主动向太空发送信号，一直存在争议。包括霍金在内的很多科学家都问过，如果外星人存在，他们的文明会发展到地球之上吗？主动传输信号会让他们掠夺地球资源吗？主动信号传递可能带来的负面结果，全人类都应该慎重考虑。

寻找外星人的新进展

近年来，国内外都在积极推动SETI的发展。2016年，突破听力计划(BLI)在国外正式启动。BLI是一项为期10年、耗资1亿美元的地外智慧生命搜索计划，旨在通过无线电和光学技术搜索银河系和附近的100个星系。BLI目前正在使用绿岸望远镜和巴夏礼望远镜搜寻可能的信号。

在中国，中国科学院国家天文台与“突破聆听计划”于2016年签署合作协议，将使用中国500米口径球面射电望远镜(FAST)进行合作。FAST是目前世界上最大的单孔径射电望远镜。SETI的研究是利用安装在望远镜接收机后端的FAST-SetiBurst进行的。与曾经最大的阿雷西博望远镜相比，FAST可以同时接收更多来自不同天空位置的信号时间，同时灵敏度更高，可以探测到更加微弱的天体。相信FAST在未来的观测中会给我们带来更多的惊喜。

实际上，除了前面提到的捕捉外星人的无线电信号，还可以通过其他间接的观察方法发现外星人。

首先，我们可以通过观察恒星的亮度变化来发现可能的智慧现象。我们知道，行星围绕恒星旋转，当行星挡住恒星视线时，会导致恒星亮度周期性变化。同样，外星文明建造的巨型设施也可能导致恒星的亮度变化。在此，笔者简单介绍一下“戴森球假说”。1959年，美国物理学家戴森提出，高度发达的文明必须能够将围绕太阳的能量收集器发射到太空中，甚至用球形结构围绕太阳。那么，像“戴森球”这样的巨型结构可能会引起其宿主恒星的亮度变化，这种变化反映在恒星的光变曲线上，但这种方法是为了能够将天体物理机制与人造物体引起的亮度变化区分开来。

其次，通过寻找其他星球的大气污染物来寻找外星人。我们知道汽车的尾气和化石燃料的燃烧会产生污染气体，如二氧化氮。相关科学家发现，地球大气中的污染物会有很强的吸收线。因此，通过分析光谱数据，可以确定大气中的化学成分，从而发现是否存在文明造成的空气污染。

第三，寻找太空垃圾也可以发现外星文明。人类发展航天，会留下各种人造废物和衍生物。这些物体小到固体火箭的燃烧残渣，大到发射后废弃的多枚火箭。高度发达的文明也可能产生大量的太空垃圾。通过观察太空垃圾可以发现外星人。此外，当太空垃圾量过多时，可能会形成一个环绕行星的行星环，当这个行星环达到一定量时，也可能会影响恒星的亮度变化。

除了观察法，理论假设预测也能给我们一些启发。

比如作者最近用数值模拟的方法研究了在银河系存在一定数量文明的情况下，假设外星人的出现率和出生时间为时间，人类收到外星人发来的信号的概率。模拟结果显示，乐观情况下，银河系整个演化历史中可能存在4万个外星文明，而人类平均需要活30万年才能接收到一个信号，至少需要2000年才能接收到一个信号；在悲观的情况下，大约有100个外星文明，平均需要活5000万年才能接收到其他CETIs的一个信号，至少需要40万年才能接收到一个信号。在整个银河系的进化史中，由于出生的随机性时间以及通讯寿命的限制，我们的生命周期可能与其他外星文明的生命周期完全错开。所以，人类直到今天还没有观测到外星信号的一个重要原因，很可能是我们的通信寿命还不够长，从而定量解释了费米悖论。

必须指出的是，由于目前没有观测数据来限制这些参数，外星文明时间的概率和诞生是不可预测的，所以理论预测结果是不确定的。但随着天文观测的快速发展，这类研究已经可以定量计算了。通过这些定量的计算，我们可以得到一个理论上的估计，从而可以有效的判断一些可疑的信号是否真的是其他外星人发出的，利用未来观测到的信号对其他外星人进行有价值的研究，比如我们研究中提到的外星人的出生率和出生时间。

经过大约60年的探索，到目前为止我们仍然没有观测证据来证明宇宙其他地方存在外星人。那么，我们能得出外星人不存在的结论吗？我不能。这个问题在大量搜索之前是没有答案的。

相关科学家将宇宙比作一个多维度的“宇宙草堆”，估算了几个大型射电SETI项目在“草堆”中一起搜索的部分，发现只搜索了一个极小的参数空间。这个空间相当于地球上所有海洋中只有一个大浴缸或小游泳池的面积。这个区域没有外星人，不代表整个宇宙都没有。

相信随着天文观测能力的进一步发展提高，SETI相关研究也会得到快速发展，搜寻外星人的步伐不会停止。

055-79000(2022年5月26日第16版)

来源：光明网-《光明日报》