“天眼”：外星文明“回信”的郵箱

freelee

位于美國新墨西哥州沙漠的“甚大天線陣”（VLA）

科幻片中提到地球人發現外星文明時，總會出現一件經典“道具”：擁有“大鍋”一般的碟片（碟片中央伸出長長天線）的大型建筑物。從1996年驚悚風格的《天襲》，到1997年的經典之作《超時空接觸》，再到2019年的低成本影片《宏觀世界》，都找得到“大鍋”的巍然模樣。

“大鍋”的標準名稱叫“射電望遠鏡”。天文學家用射電望遠鏡收獲了大量寶貴的天文發現，但文藝作品將它和外星人扯上關系，也并非信口雌黃。尋找地外文明痕跡，同樣是射電望遠鏡的任務。

宇宙背景輝光支持“大爆炸說”

天文學起源于觀星。我們抬頭看到的星星，實際上是天體發出的光傳播到地球上。考慮到光本身是一種電磁波，既然天體能發光，理論上能發出其他不同波長的電磁波。早在20世紀初，大名鼎鼎的愛迪生、普朗克都曾主張，太陽能發射無線電波。

基于這一理論，科學家相信，除了通過可見光觀察天體外，無線電波也是一種手段。1931年，美國貝爾電話公司的工程師卡爾·央斯基，偶然發現了來自太空的無線電波。他的基本工作，是利用巨大的定向天線，研究越洋無線電話受干擾的情況。

其間有一種雜音，每隔23小時56分鐘就會達到高峰。這個時間間隔，剛好是地球的恒星日的長度—即地球相對于宇宙的自轉時間。所以央斯基懷疑，信號來自銀河系中心。

因為貝爾公司沒有天文研究的需求，央斯基未能采用更高配置的設備進一步觀察外太空信號。不過，這一發現確定了天文觀察的新方向。1937年，無線電工程師格羅特·雷伯架設了一臺9米直徑的拋物面碟形無線電望遠鏡。第一臺用于天文觀察的射電望遠鏡誕生，射電天文學這一天文學分支也迎來起點。

射電天文學將天文學的發展推向新的高度。從電磁波譜來看，可見光的波長范圍很窄，大概在360～860納米。而無線電波波長覆蓋從幾厘米到數百米的范圍。范圍越大，內容越多。通過可見光觀察星體，顯然觀察范圍十分有限。而無線電波中隱藏的天文秘密，要豐富得多。

1960年代，天文學界收獲極其重要的四大發現，分別為脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子。這都是在射電望遠鏡支持下的發現。其中，宇宙微波背景輻射對大眾來說最為熟悉。在通俗科學介紹中，它一般以“大爆炸說”的形式來呈現。

天文學界認為，宇宙起源于一個奇點的急劇擴張，在擴張過程中，宇宙從均勻、高熱的狀態，持續稀釋、降溫。1948年，美國物理學家伽莫夫提出“熱大爆炸”假設，對大爆炸過程進行了更細致猜想。其中一個猜想是，現在的宇宙沐浴于早期高溫宇宙的殘留輻射中。

阿雷西博退役后，FAST成為“獨眼”，其意義更加重大。

用光學望遠鏡來看，天體之間的空間一片漆黑，看不到殘留輻射的痕跡。但1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜用射電望遠鏡，發現了漆黑之下微弱的背景輝光。宇宙微波背景輻射的廬山真面目首次被揭開，伽莫夫的“熱大爆炸”假說也由此被印證。“大爆炸說”從起初對宇宙起源的一種可能解釋，變成現時唯一一套支持當前觀察成果和數據的理論。

從“做大”到“布陣”

射電望遠鏡的貢獻巨大，但無線電波波長過長，卻在早期阻礙了射電天文學發展。

天文望遠鏡的觀察能力，由望遠鏡的口徑和觀察的波長來決定。口徑越大、波長越短，觀察的分辨率越高。可見光波長為納米級別，所以光學望遠鏡用較小口徑就能得到較高分辨率的內容。而無線電波波長最少是可見光的幾萬倍，這意味著即使射電望遠鏡的口徑是光學望遠鏡的幾百倍，前者觀察內容的清晰度也與后者差距甚遠。

1962年，英國物理學家馬丁·賴爾利用干涉原理，發明了綜合孔徑射電望遠鏡，通過架設射電望遠鏡陣列，大大提高了射電望遠鏡的分辨率。

從射電天文學發展的角度來看，把一臺單口徑射電望遠鏡做大，以及打造射電望遠鏡陣列，是并行不悖的兩條研究道路。單口徑望遠鏡的優點在于單刀直入，減少信號被噪音干擾的可能，后期數據處理更加方便。但單口徑的觀察分辨率受限，而且口徑越大，成本越高。

陣列的優點則在于觀察分辨率高，同等口徑下成本低于單口徑望遠鏡，而且可以通過控制干涉方式，自定義觀察分辨率和觀察頻率。不過，陣列收到噪音的概率高于單口徑望遠鏡，后期處理數據比較花功夫。

單口徑望遠鏡和陣列有不同的使用側重點。對于一些微弱的信號，單口徑望遠鏡捕捉效果更好，能避免信號被噪音淹沒。而如果要對較強的信號進行精細觀察，陣列是更好的選擇。

《超時空接觸》封面那些搶眼的射電望遠鏡，正是著名的“甚大天線陣”（VLA）。VLA位于美國新墨西哥州沙漠中。27面直徑25米的天線，按“Y”字形排列，架設在鐵軌上，組合起來的最長基線達36公里，是目前世界上最大的綜合口徑射電望遠鏡。

假如M13存在文明，他們的“回信”最快要5萬年后才能返回地球。

球狀星團M13

更有野心的陣列規劃是“平方公里陣”（SKA）。SKA由全球十多個國家計劃合資建造（中國是發起國之一），由位于澳大利亞西部的低頻陣列和位于南非的中頻陣列兩部分組成。“平方公里”的名字，來自全部反射鏡面對宇宙信號的接收面積，總計達1平方公里。這樣SKA將擁有史上最高的射電望遠鏡圖像分辨率，靈敏度也是任何現存射電望遠鏡的50倍以上。

由于計劃規模巨大，涉及多國合作，原定2010年建造、2020年落成的SKA，目前最新時間表是2021年才動工。

單口徑望遠鏡方面，美國也曾是領先者。位于波多黎各島的阿雷西博望遠鏡，坐落于一個火山口，建成于1934年，口徑305米，后擴建為350米。遺憾的是，阿雷西博在2020年先后遭遇輔助鋼纜斷裂砸破反射盤、主承重鋼纜斷裂等意外。美國國家科學基金會遂宣布其退役，并計劃將其拆除。

建于中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），2016年取代了阿雷西博的最大單口徑望遠鏡之地位。FAST在2020年1月通過國家驗收，正式投入運行，與阿雷西博并稱地球兩大“天眼”。阿雷西博退役后，FAST成為“獨眼”，其意義更加重大。

5萬年后的回信

“天眼”問天，成績斐然。自啟用以來，單是脈沖星，FAST就發現了超過240顆。此外，其還有望在短時期內實現納赫茲的引力波探測，捕捉宇宙大爆炸時期的原初引力波。

阿雷西博退役，天文界損失了一件重要的觀察工具。而FAST以全球一起探索宇宙的奧秘、構建人類命運共同體為愿景，將向全球科學家開放使用權限。這有助于保證即使美國“天眼”閉上，全人類的宇宙探索事業也不會被耽誤。

在人類探索宇宙的過程中，“我們是唯一的嗎？”始終是一個既浪漫又嚴肅的提問。射電望遠鏡也一直是被寄予厚望的解謎工具。

美國天文學家弗蘭克·德雷克開創了用嚴肅手段搜索外星文明的先河。他在求學時期就已經認為，正如地球人的雷達、廣播、電視等技術會將無線電波發射到太空，假如宇宙其他地方擁有一定的文明程度，也會留下使用無線電的痕跡。

德雷克在1960年首次嘗試尋找外星文明信號，而他的主要工具，是美國國家射電天文臺的第一臺射電望遠鏡：塔特爾望遠鏡。

建于中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），2016年取代了阿雷西博的最大單口徑望遠鏡之地位

塔特爾望遠鏡將目標對準波江座ε星（天苑四）和鯨魚座τ星（天倉五），雖然沒有任何收獲，但這不影響搜索計劃的全面鋪開。日后，天文學界這種類似的努力被稱為“SETI”—即“搜索外星生命”的英文詞組的首字母縮寫。

德雷克后來成為阿雷西博升級改造的主導人。1974年，阿雷西博完成第一次重大升級后，德雷克的SETI工作再邁出重要一步：他編制了一條帶有1679個二進制數字的無線電信息，按照特定情況排列后，它將顯示出一張圖片，其中暗藏了十進制計數法、人類DNA構造、太陽系情況等內容。

這條“阿雷西博信息”指向距離地球2.5萬光年的球狀星團M13。假如M13存在文明，他們的“回信”最快要5萬年后才能返回地球。但假如沿途還有其他文明，也許他們的回復會更快來到。

即使外星文明在2021年就發出“回信”，屆時阿雷西博這個“郵箱”也已經不在了。幸好FAST能替代起接受反饋的使命。FAST望遠鏡安裝了專門用于地外文明搜索的后端設備，能排除天體信號和地球人工信號的干擾，針對性地收集窄帶候選信號。那些外星文明的微弱線索，可能就藏在其中。

上述這些嚴肅的科學實驗，在文藝作品中以更戲劇化的形式呈現。《天襲》中，主角用鄰居接受電視信號用的小天線，架起了一套接收陣列，大抵上說明了綜合口徑射電望遠鏡的原理;《超時空接觸》中，主角收到了以質數方式發送的奇怪信號，這是致敬“阿雷西博信息”必須用兩個質數73和23排列才能正確顯示信息;《宏觀世界》干脆直接演繹外星人發送了同樣用二進制表達、同樣內容編排的信息，來回復“阿雷西博信息”。

隨著FAST成為全球唯一“天眼”，也許未來與外星文明交流的故事，會出現更多的中國元素。但更奇妙的也許是，未來，FAST“天眼”將讓人類第一次看到外星智慧的真實存在。