知識分子 X Physics World，帶你走進英國媒體視角下的科學議題。
撰文 | 戴維·阿佩爾（David Appell)
翻譯 | 馬超
校譯 | 陳曉雪
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圖1 尋找外星污染物。如果外星高級生命存在的話，有可能會在其所居住的行星上排放工業污染。因此，系外行星大氣層中的二氧化氮可以被當成一種文明信號。圖源：NASA/Jay Freidlander
1802年，年輕的德國數學家卡爾·弗里德里希·高斯（Carl Frie drich Gauss）提出了一個想法——向可能存在的火星人宣告地球文明的存在，具體做法就是將西伯利亞的森林清理出一大片區域，種上小麥，并在此基礎上繪制出一個表示畢達哥拉斯定理（勾股定理）的巨型圖案。
大約80年后，為了向火星人展示人類的存在，天文學家帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）建議在撒哈拉沙漠中挖運河。羅威爾是羅威爾天文臺的創建者，該天文臺位于美國亞利桑那州的弗拉格斯塔夫。他也是火星表面存在運河假說的支持者。他的計劃是在挖好的運河中倒入油，然后點燃，從而吸引火星人的注意。
盡管這兩個想法都沒有付諸實踐，但卻是關于“科技信號”或“科技標記物”的兩個典型案例，暗示了過去或者當前正在進行的科技活動，進而證明先進行星文明的存在。在茫茫宇宙中搜尋這種文明信號可能聽起來有些過于科幻，然而在過去的幾年里，天文學家們已經在制定探測地外文明科技信號的計劃了，因為新一代太空望遠鏡可能具備這樣的能力來探測到它們，比如預計在今年12月升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）。
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巡 天
近60年來，射電天文學家一直在想方設法提高望遠鏡的觀測能力，尋找可能源自于地外高級文明的信號。直到今天，這種高級信號的探測仍未被證實，但天文學家已經發了幾個非常有趣的太空信號。其中非常有名的是一個長達72秒的 “WOW” 信號，它由俄亥俄州立大學的大耳朵射電望遠鏡于1977年8月15日探測到。另一個著名射電信號，簡稱BLC1，在2019年4月和5月被分別探測到。雖然 “WOW” 信號中包含了諸多地外起源的特征，但類似的信號后來再也沒有探測到。BLC1來源于離我們最近的恒星——比臨星，目前天文學家仍在分析它。
最近幾十年，這一研究領域另一巨大突破是關于系外行星的研究。自1992年首次發現兩顆系外行星，天文學家們充分利用開普勒太空望遠鏡以及其他望遠鏡，發現了超過4400顆系外行星，還有眾多行星候選體等待確認。這些系外行星的物理性質千差萬別，從類地行星到超級地球，從類海王星到熱木星等等。平均來看，每顆恒星都有一顆環繞其自身運行的行星，其中一些恒星甚至有多顆行星，就像我們的太陽有八顆大行星環繞。
隨著如此之多的系外行星得到發現，天體生物學家們一直在研究來自這些遙遠行星的生物學信號。類似于上述的文明信號，生物學信號代表著遙遠世界存在生命的跡象，可能是高級智慧生命，也可能是其他。當目標行星運行到其宿主恒星和我們地球之間的位置，科學家通過分析行星大氣的電磁吸收譜，就能推斷該行星的大氣層中是否存在氧氣、甲烷、水蒸氣和臭氧。到目前為止，天文學家已經通過這種方式研究分析了幾顆類木系外行星的大氣層，接下來他們將利用更強大的韋伯太空望遠鏡來分析體積更小的類地行星。
隨著這一領域研究不斷推進，天文學家意識到上述研究方法也能應用到地外高級文明信號的搜尋中。這不需要單獨為此觀測，利用尋找生物學信號的數據就已足夠，甚至通過挖掘數十年前的存檔數據也可能有所收獲。
“對于這一研究領域，數據就是王道。” 美國宇航局戈達德飛行中心的行星科學家 Ravi Kopparapu 說。美國宇航局和美國國家科學基金會已經至少資助了三個項目，通過了兩項撥款，以分別支持一個相關的研討會和一個專題討論會。
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誰在那里？我們如何發現它？
雖然我們正在持續不斷地搜尋地外生命，但它們真的存在嗎？
如今，我們清楚地知道大約22%的類太陽恒星的宜居帶中，均存在一個類地球行星，恒星宜居帶中行星表面的溫度允許液態水的存在。在我們的銀河系，就有大約一千億到四千億顆恒星。如此算下來，僅僅在銀河系中就有數百億顆行星適合生命生存。
問題是，我們能看到它們嗎？
假定任何可觀測的文明信號，都必須限制在我們過去的 “光錐” 范圍內，意大利羅馬第二大學的理論天體物理兼天體生物學家 Amedeo Balbi 提出一個簡單但穩健的結論。要獲得一個文明發出的信號，這個文明的誕生必須要早于我們的文明，因為光信號傳到我們這里需要一些時間。在銀河系的歷史長河中，如果外星文明不是集中在一個特殊時期出現（也就是說在各個時間段文明出現的概率是不變的），Balbi推斷，那么探測到外星文明信號的主要因素是該文明持續的時間足夠久，最好能在一億年到十億年之間。
圖2 明亮的燈光，巨大的外星城市。地球黑夜面的城市燈光彰顯了人類的存在。我們也可以在系外行星的夜晚面尋找外星高級文明創造的照明光源。圖源：Joshua Stevens, NASA Earth Observatory/Miguel Román, NASA GSFC
2020年，在一個由美國宇航局贊助的線上研討會上，Balbi 說：“我們不應該專注于地外文明或者物種存活時間的長短，而是應該關注文明信號的持續時間。”他認為，制定觀測方案，最好聚焦于搜尋少數延續時間長的文明信號，而非數量較多卻短暫的文明信號。
關于我們可能從地球上看到的文明信號，多年來有很多線索。這一清單包括夜晚的城市燈光、大氣污染、太陽能集熱器和影響行星自身反光的硅基光伏陣列。我們接收到的外星文明信號可能來自行星表面的科技設施、密集的軌道衛星星座網、巨型設施產生的廢熱（比如戴森球）。另一個極端的可能是“星體改造工程”，也就是說外星文明的先進程度足以改造恒星或者其他天體的表面模樣。
其他文明信號源包括產生無線電波或者激光脈沖的電磁燈塔；外星文明發射的宇宙飛船（正向我們太陽系飛來）。我們人類已經做過類似的事情，先驅者10號和11號、旅行者1號和2號無人探測器正在飛離太陽系，行駛在星際空間中。所謂的搜尋地外文明計劃（SETI），是尋找外星文明信號的合法化設施，盡管有時會有荒唐的結論出現，比如發現火星上的一張人臉，其實只是一塊石頭而已。
另一類文明信號可能來源于正運行在太陽系中的人造物體，它們離地球的距離可能更遠，比如在奧爾特云或者柯依伯帶中，通過自身反射太陽光的方式被我們探測到。一個正在運行的自然物體，其反射太陽光的強度與離我們距離的四次方成反比，而一個人造發光體的發光強度與距離的二次方成反比，這在觀測上與前者是不同的。
高級文明應該能夠制造光源，高級生命也可能像人類那樣聚集在自己建造的城市中。一個很有趣的探尋提議是，當行星（視線上）經過恒星表面時，行星的黑夜面將朝向我們，此時可以嘗試尋找外星文明的城市燈光信號，同時利用日冕儀來擋住背景恒星的強烈光芒。
為了搞清楚能否探測到這種信號，亞利桑那大學斯圖爾德天文臺（Steward Observatory）的天文學家 Thomas Beatty 對此進行了評估——如果把人類現有的高能光源放到近鄰類地系外行星上，它能被地球上的望遠鏡探測到的概率有多大？我們目前已經發現，距離太陽32光年的范圍內，存在數十顆宜居行星。
這里需要注意的是，地球表面僅有約0.05%的面積高度城市化，比如紐約和東京夜晚的照明程度是最高的。Beatty的計算表明，從環繞紅矮星運行的行星上傳來的文明信號（紅矮星是指一類比太陽更暗、溫度更低的恒星），可以被美國宇航局正在籌建的兩個太空望遠鏡觀測到。它們分別是大型紫外可見光紅外巡天太空望遠鏡（LUVOIR）和可居住系外行星成像望遠鏡（HabEx），后者配備有一個日冕儀和一個可折疊恒星遮光傘，可以對類地行星直接成像。
圖3 系外行星觀測設備。大型紫外可見光紅外巡天太空望遠鏡（LUVOIR ）是美國宇航局準備建造的一個多波段太空觀測設備。它將被主要用于尋找地外文明信號。圖源：NASA
Beatty的研究發現，對于城市覆蓋率在0.4%-3%的行星（0.4%相當于地球城市覆蓋率的8倍），在利用日冕儀的情況下，需要長達100小時的觀測時間才能探測到其發出的文明信號。對于環繞類太陽恒星的行星來說，如果城市覆蓋率達到10%或者更高，就能輕易探測到其發出的文明信號了（宿主恒星越亮，就越難觀測到）。Beatty 也考慮到了“城市星球”的概念，就是行星表面大部分被城市所覆蓋。假設我們觀測到的文明信號主要是來自于行星表面的水泥和馬路反射恒星的光芒，并且假設該行星的云層覆蓋率和地球類似，Beatty的計算發現，利用上述兩個太空望遠鏡，在近鄰的大約50顆恒星中，我們均能探測到這樣的行星。
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可能的信號？
2015年，來自行星獵手項目的民間科學家（citizen scientists），發現了一顆1467光年外的F型主序恒星的光變曲線有古怪的起伏。
這一發現很快吸引了職業天文學家的注意，包括耶魯大學的 Tabetha Boyajian，他發現當行星在視線方向上經過宿主恒星時（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。產生這種有趣觀測現象的星體系統，如今被稱為 “Tabby星”，對于此現象的解釋，人們有過多種猜測，比如行星殘骸、外星高級文明建造的巨型設施、不受行星引力束縛的天然衛星，后來人們斷定最可能的原因或許是太空塵埃的干擾。
雖然最終的解釋索然無味，美國宇航局艾姆斯研究中心的天文學家 Ann Marie Cody 受此事件的啟發，開始從凌日系外行星巡天衛星（TESS）的觀測數據中尋找相似的觀測事件。自2018年起，TESS就一直在監測約一千萬顆恒星的亮度變化。Cody當前正致力于用全自動的方法，從TESS的觀測數據中尋找那些恒星亮度變化十分顯著的光變曲線。
利用百余種不同的統計測量方法，她希望能夠區分出自然現象（比如掩食雙星系統）和非自然現象，比如恒星表面的遮擋物、太陽能板、環繞型恒星運行的巨型文明設施或者其他未知的巨型結構。這些非自然現象的候選體，將交給地面的大型望遠鏡做進一步更精細的觀測，比如SETI射電望遠鏡。
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尋找外星污染物
另一種文明信號可能來自于外星文明在早期科技發展中排放進大氣層的污染物。的確，通過分析光譜數據，大氣污染物的的化學組成可以得到確認，正如我們尋找氧氣和甲烷等生物學信號。
2014年，哈佛大學的天文學家 Henry Lin 和同事發現，地球大氣層中的污染物，比如氯氟碳化合物，有很強的吸收譜線，正好處在韋伯太空望遠鏡的可觀測波長范圍內。他們發現，在環繞白矮星運行的類地行星大氣層中，如果這類物質的比例是地球大氣層中的十倍， 那么它們是能夠被人類的望遠鏡觀測到的。
另一種可能被探測到的文明污染物是二氧化氮（NO2）。這類物質在地球上是十分常見的污染物，主要來自于機動車尾氣和化石燃料的燃燒。在今年的一項研究中，Kopparapu和同事分析了在距離我們32光年的范圍內，我們能否探測到系外行星大氣層中的二氧化氮。如果目標行星沒有云層，并且大氣層中二氧化氮的含量與地球類似（地球城市上空的含量約為十億分之五），那么利用未來升空的LUVOIR望遠鏡就能在紅外波段觀測到它們, 觀測所需的時間大約為400個小時。四十年前，美國上空二氧化氮的水平是今天的三倍，因此對于才誕生不久的外星工業文明來說，利用更短的觀測時間就能發現它們排入大氣中的二氧化氮。
2020年6月，美國宇航局將半數的探尋（非射電波段）文明信號的資金，用來支持紐約羅切斯特大學的天文學家 Adam Frank。他主要搜尋二氧化氮和氯氟碳化合物譜線信號。這筆資金高達287000美元，主要用于建立線上光譜庫。Frank的目標是調查什么樣的外星文明技術能夠在我們觀測的光譜中留下蛛絲馬跡。光譜模版的構建將基于行星氣候模型，而影響行星氣候模型的因素包括行星本身和其所環繞的宿主恒星的特性、以及我們可能用到的觀測設備的性能。通過把這些由模型生成的模版與實際觀測到的光譜比對，天文學家能夠獲得這些觀測譜線的詳細信息。
另一半資金用于建立類似的光譜模版，這些光譜主要來自于地面太陽能板的反射。系外行星表面的太陽能板反射恒星的光芒，如果被遙遠的地球觀測到的話，天文學家便能比對光譜模版，進而了解那里的太陽能板是由什么物質組成的。“最難的部分是如何運行行星氣候模型來獲得這些模版。”Frank說。
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巨型外星設施
高級外星文明建造的戴森球，可能會成為探測外星文明信號的主要來源之一。戴森球是一種假想的巨型文明設施，這一概念于1960年首次刊登于科學雜志，由 Freeman Dyson 提出。這種巨型設施最初被設想為一種中空的球殼結構，由先進的外星文明建造，體積大到足以包裹整顆恒星，球面能夠接收恒星發出的所有能量。對于地球-太陽系統而言，太陽每秒鐘發出的總能量是到達地球高層大氣那部分能量的20億倍。后來美國理論物理學家John Wheeler認為戴森球也可以包圍一顆正在旋轉的黑洞。
最近，來自新竹清華大學的天文學家T iger Yu-Yang Hsiao 及其合作者發現，從黑洞的吸積盤、冕和相對論性噴流中，能夠采用更優的能量汲取方式。外星文明如果足夠先進，那么其建造的戴森球甚至有可能足以包圍整個星系，從而利用星系中所有恒星和黑洞釋放出的電磁能量。對于我們所在的銀河系來說，它所發出的總能量至少是太陽的4000億倍。
一個由行星和小行星組成的巨型球殼系統是動力學不穩定的，但其他結構是能夠穩定存在的，比如球形籠、球形群、球形泡、環等等。安裝在這種結構上的太陽能收集裝置，會把收集到的能量以微波的形式發射到行星表面，從而為行星文明提供能量，這種情況下宿主恒星的光譜也會被很大程度改變，形成一個紅外黑體譜。我們的太陽是一顆G型主序星，假設戴森球的半徑約等于地球公轉軌道半徑，由于能量無法100%利用，它會把從太陽吸收來的一部分能量以黑體輻射的形式散發到太空之中，輻射峰值溫度約為300K, 對應的輻射峰值波長大約為10微米，也就是在這一波長附近，戴森球輻射的能量是最高的。科研人員也發現，在我們銀河系內， 如果一個圍繞恒星質量級黑洞的戴森球距離我們在32000光年范圍內，那么它在紫外、光學、近紅外和中紅外波段都能夠被我們的望遠鏡觀測到，比如哈勃太空望遠鏡的第三代廣域相機（WFC3）就能勝任。
幾項關于戴森球的研究已經持續多年，既有聚焦于銀河系內的，也有關于銀河系外的。“如今，歐洲航天局的蓋亞衛星正在測量銀河系內上億顆恒星的距離，這對于我們尋找戴森球是十分有幫助的。” 賓夕法尼亞大學的天文學家 Jason Wright 說。地外文明信號的搜尋將不再受到數百萬顆類星體和其他特殊天體的干擾。而且，我們也將不斷修正戴森球的觀測信號模型，進而更清楚地知道我們探測到的信號到底是什么。
最終，除非外星生命真的飛臨地球，否則的話，為了找到外星生命存在的證據，我們依然需要在海量的觀測數據中尋找生物學和文明信號。
“我們一致認為，只有通過不斷的探索和嘗試，才能最終發現答案。”1982年，天文學家卡爾薩根在對《科學》雜志的請愿書中這樣寫道，“在這一問題上，沒有任何一個先驗的論斷能夠取代實際的觀測。”對于尋找地外生命，他希望全球的各大科研機構能夠聯合起來，進行一場全球協同合作的系統性大搜尋。希望在本世紀，我們能夠實現卡爾薩根當年的夙愿——發現地外文明存在的證據。 
▲ 本文為 Physics World 專欄的第49篇文章。
