射電望遠鏡與地外文明搜尋

文/ 李會超

射電望遠鏡是尋找地外文明最常用也是最有效的工具。目前，選取特定頻率、監聽星際射電信號是利用射電望遠鏡尋找地外文明最常見的方式。另外，也有主動向太空中發射信號，為其他文明發現我們提供線索的努力。

▲阿雷西博望遠鏡發送的星際信號所承載的信息

▲ 綠岸射電望遠鏡，全球最大的可動射電望遠鏡

被動聆聽

就如同我們和別人打電話時，要先弄清楚對方的電話號碼一樣，搜尋地外文明的努力同樣需要在寬闊的無線電頻譜中找到一個合適的監聽頻率。目前，使用的最多的頻率是位于1.4GHz9～1.7GHz間的，被稱為“水洞”的頻率。

氫是原子結構最簡單的元素，也是宇宙中含量最豐富的元素。而氫和氧的結合則構成了組成生命的基本物質——水。在太空中，不同原子和分子結構組成的物質在躍遷時，會發射出不同波長的譜線。在頻率為1.42GHz的位置，存在著一條氫原子的發射線，而由一個氫原子和一個氧原子組成的羥基則在1.72GHz附近存在四條頻率接近的發射線。由于氫元素和羥基的結合能夠生成水，因此將1.42GHz和1.72GHz中間的這個寬度為0.3GHz的頻率窗口稱為“水洞”。由于這個頻段不存在天然形成的無線電輻射，因此在這個波段發射信號，很容易就可以識別為是人為產生的信號。

假設其他文明與我們的科學水平相當，那么他們大概率也會發現“水洞”的特別之處，并選取這里向我們傳遞信息。同時，“水洞”的信號頻率剛好處于1GHz和10GHz的微波窗口之間。

當射電信號穿過茫茫太空中的星際介質時，這個頻段受星際介質的影響較小。同時，包括地球大氣層在內的行星大氣層對這個頻段的信號吸收效應也不強。總之，用這個“號碼”打電話，看起來十分合適。除了“水洞”頻率本身外，也有乘上一個π或者e（自然對數的底數）之類的數字的嘗試。

對于“水洞”頻率的監聽，最知名的事件是“哇”信號。1977年，天文學家艾曼在觀察俄亥俄州立大學搜尋外形文明的射電信號數據時，驚喜地發現了一個強度很高的窄帶信號。自然形成的信號，受熱力學因素影響，頻譜都有一定的展寬，因此如此強烈的窄帶信號有可能是人為產生的。發現這個信號后，艾曼難掩內心的興奮，在計算機打印出的數據紙上，用筆圈住了這個信號對應的“ 6EQUJ5”的度數，并寫下了一個大大的“哇!”（Wow)，這次發現也由此得名。信號的頻率為1.4204556GHz，持續的時間約為72秒，信號來自于人馬座的方向。

然而，這個信號究竟是如何產生的，到現在也沒有定論。對同一方向后續的監聽，并沒有發現信號的重復。有人提出這個信號也許來自空間碎片對地球信號的反射，也有人認為這是由天體物理現象自然產生的。不過每種說法都沒有得到確切的證認，“哇”信號的來源也仍然是一個謎。到現在為止，“水洞”的搜尋依然沒有對地外文明確定性的發現，人們也開始考慮其他波段的觀測可能。

▲ “哇”信號的原始數據

▲ 脈沖星形成脈沖的原理圖

主動聯絡

如果在射電望遠鏡的后端安裝發射設備，那么射電望望遠鏡的天線也可以成為一個增益強大的信號發射器。我國建設的FAST望遠鏡，只設計了接收能力。但有一些射電望遠鏡同時具備發射能力，曾經主動向宇宙中發射信號，試圖與外星人取得聯系。

1974年，FAST建成之前世界最大射電望遠鏡“阿雷西博”向球狀星團M13發射了一束信號。這束信號編碼所構成的圖像上，標示了數字、構成DNA的元素及基本單位，人類DNA的雙螺旋結構，人身體的外形，行星的位置和望遠鏡的外觀等圖像。自此之后，又有數十次這樣的嘗試，發射的信號內容也五花八門。這其中，既有利用政府公共資金資助開展的，也有私人贊助或民間自發籌措資金開展的。

對于被動監聽地外文明信號的活動，人們對其的指責僅僅是浪費經費而一無所獲。而對于主動發射信號的行為，不少人開始擔心這樣將會把地球暴露在宇宙中的“黑暗森林”中。

在殖民時代，地球上技術發達的文明入侵技術欠發達的文明，對其帶來滅頂之災的例子不勝枚舉。而向宇宙中推廣之后，人們認為向太空中發射的信號有可能引來的不是友好的答復，而是侵略性的攻擊。不過，也有人認為諸如遠程監視雷達等大功率無線電設備發射的信號，早已經傳遍了宇宙中的各個方向。如果有其他文明能夠探測這些信號，那么隱藏地球文明的存在是不可能的。主動發射的地外文明“握手”信號并不會增加地球文明被入侵的風險。

▲ 蟹狀星云中的一個脈沖星

為了對向宇宙中“發電報”的行為進行風險評估，2005年3月在圣馬力諾舉行的第六屆宇宙太空和生命探測國際研討會上，學者們提出了“圣馬力諾標度”的概念。圣馬力諾標度以信號強度值和信號特征值的和計算。在信號特征中，評級最低（評級為1）的是不帶有特定信息的雷達信號，而評級最高（評級為5）的則是接收到地外文明的信號后，對他們進行有目的的回應。像阿雷西博射電望遠鏡發射的那種對一顆或多顆行星發射的專門信號，風險評級則為3。根據功率和信號特征綜合評級后，信號發射行為被劃分成了10個等級。不過，目前并沒有強制性的規章制度，禁止圣馬力諾標度較高的信號發射行為。★

▲ ALMA7米射電天線陣