寻找地外文明PhysicsWorld专栏

　　知识分子 X Physics World，带你走进英国媒体视角下的科学议题。
　　导 读
　　自首次发现系外行星，天文学家一直在寻找地外生命。  Physics World   的这篇文章显示，寻找来自太空的生物学特征很重要，与此同时，搜索先进地外文明信号的想法正变得越来越流行。
　　撰文 | 戴维·阿佩尔（David Appell)
　　翻译 | 马超
　　校译 | 陈晓雪
　　    
　　图1  寻找外星污染物。如果外星高级生命存在的话，有可能会在其所居住的行星上排放工业污染。因此，系外行星大气层中的二氧化氮可以被当成一种文明信号。图源：NASA/Jay Freidlander
　　1802年，年轻的德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Frie drich Gauss） 提出了一个想法——向可能存在的火星人宣告地球文明的存在，具体做法就是将西伯利亚的森林清理出一大片区域，种上小麦，并在此基础上绘制出一个表示毕达哥拉斯定理（勾股定理） 的巨型图案。
　　大约80年后，为了向火星人展示人类的存在，天文学家帕西瓦尔·罗威尔（Percival Lowell） 建议在撒哈拉沙漠中挖运河。罗威尔是罗威尔天文台的创建者，该天文台位于美国亚利桑那州的弗拉格斯塔夫。他也是火星表面存在运河假说的支持者。他的计划是在挖好的运河中倒入油，然后点燃，从而吸引火星人的注意。
　　尽管这两个想法都没有付诸实践，但却是关于＂科技信号＂或＂科技标记物＂的两个典型案例，暗示了过去或者当前正在进行的科技活动，进而证明先进行星文明的存在。在茫茫宇宙中搜寻这种文明信号可能听起来有些过于科幻，然而在过去的几年里，天文学家们已经在制定探测地外文明科技信号的计划了，因为新一代太空望远镜可能具备这样的能力来探测到它们，比如预计在今年12月升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST） 。
　　01 巡天
　　近60年来，射电天文学家一直在想方设法提高望远镜的观测能力，寻找可能源自于地外高级文明的信号。直到今天，这种高级信号的探测仍未被证实，但天文学家已经发了几个非常有趣的太空信号。其中非常有名的是一个长达72秒的 ＂WOW＂ 信号，它由俄亥俄州立大学的大耳朵射电望远镜于1977年8月15日探测到。另一个著名射电信号，简称BLC1，在2019年4月和5月被分别探测到。虽然 ＂WOW＂ 信号中包含了诸多地外起源的特征，但类似的信号后来再也没有探测到。BLC1来源于离我们最近的恒星——比临星，目前天文学家仍在分析它。
　　最近几十年，这一研究领域另一巨大突破是关于系外行星的研究。自1992年首次发现两颗系外行星，天文学家们充分利用开普勒太空望远镜以及其他望远镜，发现了超过4400颗系外行星，还有众多行星候选体等待确认。这些系外行星的物理性质千差万别，从类地行星到超级地球，从类海王星到热木星等等。平均来看，每颗恒星都有一颗环绕其自身运行的行星，其中一些恒星甚至有多颗行星，就像我们的太阳有八颗大行星环绕。
　　随着如此之多的系外行星得到发现，天体生物学家们一直在研究来自这些遥远行星的生物学信号。类似于上述的文明信号，生物学信号代表着遥远世界存在生命的迹象，可能是高级智慧生命，也可能是其他。当目标行星运行到其宿主恒星和我们地球之间的位置，科学家通过分析行星大气的电磁吸收谱，就能推断该行星的大气层中是否存在氧气、甲烷、水蒸气和臭氧。到目前为止，天文学家已经通过这种方式研究分析了几颗类木系外行星的大气层，接下来他们将利用更强大的韦伯太空望远镜来分析体积更小的类地行星。
　　随着这一领域研究不断推进，天文学家意识到上述研究方法也能应用到地外高级文明信号的搜寻中。这不需要单独为此观测，利用寻找生物学信号的数据就已足够，甚至通过挖掘数十年前的存档数据也可能有所收获。
　　＂对于这一研究领域，数据就是王道。＂ 美国宇航局戈达德飞行中心的行星科学家 Ravi Kopparapu 说。美国宇航局和美国国家科学基金会已经至少资助了三个项目，通过了两项拨款，以分别支持一个相关的研讨会和一个专题讨论会。
　　02 谁在那里？我们如何发现它？
　　虽然我们正在持续不断地搜寻地外生命，但它们真的存在吗？
　　如今，我们清楚地知道大约22%的类太阳恒星的宜居带中，均存在一个类地球行星，恒星宜居带中行星表面的温度允许液态水的存在。在我们的银河系，就有大约一千亿到四千亿颗恒星。如此算下来，仅仅在银河系中就有数百亿颗行星适合生命生存。
　　问题是，我们能看到它们吗？
　　假定任何可观测的文明信号，都必须限制在我们过去的 ＂光锥＂ 范围内，意大利罗马第二大学的理论天体物理兼天体生物学家 Amedeo Balbi 提出一个简单但稳健的结论。要获得一个文明发出的信号，这个文明的诞生必须要早于我们的文明，因为光信号传到我们这里需要一些时间。在银河系的历史长河中，如果外星文明不是集中在一个特殊时期出现（也就是说在各个时间段文明出现的概率是不变的） ，Balbi推断，那么探测到外星文明信号的主要因素是该文明持续的时间足够久，最好能在一亿年到十亿年之间。
　　图2  明亮的灯光，巨大的外星城市。地球黑夜面的城市灯光彰显了人类的存在。我们也可以在系外行星的夜晚面寻找外星高级文明创造的照明光源。图源：Joshua Stevens, NASA Earth Observatory/Miguel Román, NASA GSFC
　　2020年，在一个由美国宇航局赞助的线上研讨会上，Balbi 说：＂我们不应该专注于地外文明或者物种存活时间的长短，而是应该关注文明信号的持续时间。＂他认为，制定观测方案，最好聚焦于搜寻少数延续时间长的文明信号，而非数量较多却短暂的文明信号。
　　关于我们可能从地球上看到的文明信号，多年来有很多线索。这一清单包括夜晚的城市灯光、大气污染、太阳能集热器和影响行星自身反光的硅基光伏阵列。我们接收到的外星文明信号可能来自行星表面的科技设施、密集的轨道卫星星座网、巨型设施产生的废热（比如戴森球） 。另一个极端的可能是＂星体改造工程＂，也就是说外星文明的先进程度足以改造恒星或者其他天体的表面模样。
　　其他文明信号源包括产生无线电波或者激光脉冲的电磁灯塔；外星文明发射的宇宙飞船（正向我们太阳系飞来） 。我们人类已经做过类似的事情，先驱者10号和11号、旅行者1号和2号无人探测器正在飞离太阳系，行驶在星际空间中。所谓的搜寻地外文明计划（SETI） ，是寻找外星文明信号的合法化设施，尽管有时会有荒唐的结论出现，比如发现火星上的一张人脸，其实只是一块石头而已。
　　另一类文明信号可能来源于正运行在太阳系中的人造物体，它们离地球的距离可能更远，比如在奥尔特云或者柯依伯带中，通过自身反射太阳光的方式被我们探测到。一个正在运行的自然物体，其反射太阳光的强度与离我们距离的四次方成反比，而一个人造发光体的发光强度与距离的二次方成反比，这在观测上与前者是不同的。
　　高级文明应该能够制造光源，高级生命也可能像人类那样聚集在自己建造的城市中。一个很有趣的探寻提议是，当行星（视线上） 经过恒星表面时，行星的黑夜面将朝向我们，此时可以尝试寻找外星文明的城市灯光信号，同时利用日冕仪来挡住背景恒星的强烈光芒。
　　为了搞清楚能否探测到这种信号，亚利桑那大学斯图尔德天文台（Steward Observatory） 的天文学家 Thomas Beatty 对此进行了评估——如果把人类现有的高能光源放到近邻类地系外行星上，它能被地球上的望远镜探测到的概率有多大？我们目前已经发现，距离太阳32光年的范围内，存在数十颗宜居行星。
　　这里需要注意的是，地球表面仅有约0.05%的面积高度城市化，比如纽约和东京夜晚的照明程度是最高的。Beatty的计算表明，从环绕红矮星运行的行星上传来的文明信号（红矮星是指一类比太阳更暗、温度更低的恒星） ，可以被美国宇航局正在筹建的两个太空望远镜观测到。它们分别是大型紫外可见光红外巡天太空望远镜（LUVOIR） 和可居住系外行星成像望远镜（HabEx） ，后者配备有一个日冕仪和一个可折叠恒星遮光伞，可以对类地行星直接成像。
　　图3  系外行星观测设备。大型紫外可见光红外巡天太空望远镜（LUVOIR ）是美国宇航局准备建造的一个多波段太空观测设备。它将被主要用于寻找地外文明信号。图源：NASA
　　Beatty的研究发现，对于城市覆盖率在0.4%-3%的行星（0.4%相当于地球城市覆盖率的8倍） ，在利用日冕仪的情况下，需要长达100小时的观测时间才能探测到其发出的文明信号。对于环绕类太阳恒星的行星来说，如果城市覆盖率达到10%或者更高，就能轻易探测到其发出的文明信号了（宿主恒星越亮，就越难观测到） 。Beatty 也考虑到了＂城市星球＂的概念，就是行星表面大部分被城市所覆盖。假设我们观测到的文明信号主要是来自于行星表面的水泥和马路反射恒星的光芒，并且假设该行星的云层覆盖率和地球类似，Beatty的计算发现，利用上述两个太空望远镜，在近邻的大约50颗恒星中，我们均能探测到这样的行星。
　　03 可能的信号？
　　2015年，来自行星猎手项目的民间科学家（citizen scientists） ，发现了一颗1467光年外的F型主序恒星的光变曲线有古怪的起伏。
　　这一发现很快吸引了职业天文学家的注意，包括耶鲁大学的 Tabetha Boyajian，他发现当行星在视线方向上经过宿主恒星时（也就是宿主恒星被行星遮掩） ，宿主恒星的亮度能下降22%之多。产生这种有趣观测现象的星体系统，如今被称为 ＂Tabby星＂，对于此现象的解释，人们有过多种猜测，比如行星残骸、外星高级文明建造的巨型设施、不受行星引力束缚的天然卫星，后来人们断定最可能的原因或许是太空尘埃的干扰。
　　虽然最终的解释索然无味，美国宇航局艾姆斯研究中心的天文学家 Ann Marie Cody 受此事件的启发，开始从凌日系外行星巡天卫星（TESS） 的观测数据中寻找相似的观测事件。自2018年起，TESS就一直在监测约一千万颗恒星的亮度变化。Cody当前正致力于用全自动的方法，从TESS的观测数据中寻找那些恒星亮度变化十分显著的光变曲线。
　　利用百余种不同的统计测量方法，她希望能够区分出自然现象（比如掩食双星系统） 和非自然现象，比如恒星表面的遮挡物、太阳能板、环绕型恒星运行的巨型文明设施或者其他未知的巨型结构。这些非自然现象的候选体，将交给地面的大型望远镜做进一步更精细的观测，比如SETI射电望远镜。
　　04 寻找外星污染物
　　另一种文明信号可能来自于外星文明在早期科技发展中排放进大气层的污染物。的确，通过分析光谱数据，大气污染物的的化学组成可以得到确认，正如我们寻找氧气和甲烷等生物学信号。
　　2014年，哈佛大学的天文学家 Henry Lin 和同事发现，地球大气层中的污染物，比如氯氟碳化合物，有很强的吸收谱线，正好处在韦伯太空望远镜的可观测波长范围内。他们发现，在环绕白矮星运行的类地行星大气层中，如果这类物质的比例是地球大气层中的十倍， 那么它们是能够被人类的望远镜观测到的。
　　另一种可能被探测到的文明污染物是二氧化氮（NO2） 。这类物质在地球上是十分常见的污染物，主要来自于机动车尾气和化石燃料的燃烧。在今年的一项研究中，Kopparapu和同事分析了在距离我们32光年的范围内，我们能否探测到系外行星大气层中的二氧化氮。如果目标行星没有云层，并且大气层中二氧化氮的含量与地球类似（地球城市上空的含量约为十亿分之五） ，那么利用未来升空的LUVOIR望远镜就能在红外波段观测到它们, 观测所需的时间大约为400个小时。四十年前，美国上空二氧化氮的水平是今天的三倍，因此对于才诞生不久的外星工业文明来说，利用更短的观测时间就能发现它们排入大气中的二氧化氮。
　　2020年6月，美国宇航局将半数的探寻（非射电波段） 文明信号的资金，用来支持纽约罗切斯特大学的天文学家 Adam Frank。他主要搜寻二氧化氮和氯氟碳化合物谱线信号。这笔资金高达287000美元，主要用于建立线上光谱库。Frank的目标是调查什么样的外星文明技术能够在我们观测的光谱中留下蛛丝马迹。光谱模版的构建将基于行星气候模型，而影响行星气候模型的因素包括行星本身和其所环绕的宿主恒星的特性、以及我们可能用到的观测设备的性能。通过把这些由模型生成的模版与实际观测到的光谱比对，天文学家能够获得这些观测谱线的详细信息。
　　另一半资金用于建立类似的光谱模版，这些光谱主要来自于地面太阳能板的反射。系外行星表面的太阳能板反射恒星的光芒，如果被遥远的地球观测到的话，天文学家便能比对光谱模版，进而了解那里的太阳能板是由什么物质组成的。＂最难的部分是如何运行行星气候模型来获得这些模版。＂Frank说。
　　05 巨型外星设施
　　高级外星文明建造的戴森球，可能会成为探测外星文明信号的主要来源之一。戴森球是一种假想的巨型文明设施，这一概念于1960年首次刊登于科学杂志，由 Freeman Dyson 提出。这种巨型设施最初被设想为一种中空的球壳结构，由先进的外星文明建造，体积大到足以包裹整颗恒星，球面能够接收恒星发出的所有能量。对于地球-太阳系统而言，太阳每秒钟发出的总能量是到达地球高层大气那部分能量的20亿倍。后来美国理论物理学家John Wheeler认为戴森球也可以包围一颗正在旋转的黑洞。
　　最近，来自新竹清华大学的天文学家T iger Yu-Yang Hsiao 及其合作者发现，从黑洞的吸积盘、冕和相对论性喷流中，能够采用更优的能量汲取方式。外星文明如果足够先进，那么其建造的戴森球甚至有可能足以包围整个星系，从而利用星系中所有恒星和黑洞释放出的电磁能量。对于我们所在的银河系来说，它所发出的总能量至少是太阳的4000亿倍。
　　图4  能量收集装置。经典的戴森球实际上是一个球壳，能够完全包围整个恒星。但这种球壳结构在动力学上并不是很稳定，其他戴森结构可能更加稳定，比如泡（左）和群（右）。图源: CC BY/Kevin Gill; CC BY/PNG crusade bot
　　一个由行星和小行星组成的巨型球壳系统是动力学不稳定的，但其他结构是能够稳定存在的，比如球形笼、球形群、球形泡、环等等。安装在这种结构上的太阳能收集装置，会把收集到的能量以微波的形式发射到行星表面，从而为行星文明提供能量，这种情况下宿主恒星的光谱也会被很大程度改变，形成一个红外黑体谱。我们的太阳是一颗G型主序星，假设戴森球的半径约等于地球公转轨道半径，由于能量无法100%利用，它会把从太阳吸收来的一部分能量以黑体辐射的形式散发到太空之中，辐射峰值温度约为300K, 对应的辐射峰值波长大约为10微米，也就是在这一波长附近，戴森球辐射的能量是最高的。科研人员也发现，在我们银河系内， 如果一个围绕恒星质量级黑洞的戴森球距离我们在32000光年范围内，那么它在紫外、光学、近红外和中红外波段都能够被我们的望远镜观测到，比如哈勃太空望远镜的第三代广域相机（WFC3） 就能胜任。
　　几项关于戴森球的研究已经持续多年，既有聚焦于银河系内的，也有关于银河系外的。＂如今，欧洲航天局的盖亚卫星正在测量银河系内上亿颗恒星的距离，这对于我们寻找戴森球是十分有帮助的。＂ 宾夕法尼亚大学的天文学家 Jason Wright 说。地外文明信号的搜寻将不再受到数百万颗类星体和其他特殊天体的干扰。而且，我们也将不断修正戴森球的观测信号模型，进而更清楚地知道我们探测到的信号到底是什么。
　　最终，除非外星生命真的飞临地球，否则的话，为了找到外星生命存在的证据，我们依然需要在海量的观测数据中寻找生物学和文明信号。
　　＂我们一致认为，只有通过不断的探索和尝试，才能最终发现答案。＂1982年，天文学家卡尔萨根在对《科学》杂志的请愿书中这样写道，＂在这一问题上，没有任何一个先验的论断能够取代实际的观测。＂对于寻找地外生命，他希望全球的各大科研机构能够联合起来，进行一场全球协同合作的系统性大搜寻。希望在本世纪，我们能够实现卡尔萨根当年的夙愿——发现地外文明存在的证据。
　　本文为   Physics World   专栏 的第49篇文章。
　　版权声明
　　原文标题为＂  Scanning the cosmos for signs of technology  ＂，首发于2021年10月出版的  Physics World   ，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。登陆   Physics World  ，关注日常全球科学新闻、热点报道和评论。  Physics World   帮助学界与产业界的研究人员走在世界重大科研突破与跨学科研究的前沿。
　　原文链接
　　https://physicsworld.com/a/scanning-the-cosmos-for-signs-of-alien-technology/
　　作者简介
　　戴维·阿佩尔是一位自由职业科普作家，生活在美国俄勒冈州，其个人网站为davidappell.com。