申请加入星系俱乐部:人类搜寻外星生命技术史

一代又一代地球人一直在思考这样一个问题:我们在宇宙中是唯一的存在吗?假如不是,那我们是应该感到激动呢、还是恐惧呢? 1686年,法国科学家伯纳德·丰特奈尔在著作《世界的多元性对话》中提出了一条启发性的推测:“如果地球上拥有如此多的生命,而其它星球却空无一人,那未免太奇怪了。”他还提出,外星生物也许会试图与我们沟通,甚至借助某种先进的飞行方法造访过地球。

一代又一代地球人一直在思考这样一个问题:我们在宇宙中是唯一的存在吗?假如不是,那我们是应该感到激动呢、还是恐惧呢? 1686年,法国科学家伯纳德·丰特奈尔在著作《世界的多元性对话》中提出了一条启发性的推测:“如果地球上拥有如此多的生命,而其它星球却空无一人,那未免太奇怪了。”他还提出,外星生物也许会试图与我们沟通,甚至借助某种先进的飞行方法造访过地球。

来源:aeon

撰文:Pam Weintraub

翻译:叶子

申请加入星系俱乐部:人类搜寻外星生命技术史

图为人类拍下的第一张系外行星的照片。这颗行星距地球约200光年,质量约为木星的五倍,围绕一颗年轻的棕矮星旋转。

自此之后,每一代人都曾使用过自己的方式、试图与外星生命进行联络,这也一直是各个时代的技术主题。

1818年,德国数学家高斯提议用“回照器”联系外星人。这是他设计的一套由镜面组成的系统,可通过反射阳光发射编码信号。等到早期电灯发明之后,法国发明家查尔斯·克罗斯提出,可以通过放大灯泡的体积、用光束将信息发送到金星或火星上。到了1900年,尼古拉·特斯拉写道,利用最新发明的射电波,“行星际沟通已经进入了可能实现的阶段”。仅过了一年,他就报道称自己探测到了疑似来自另一个世界的信号。

然后研究就在这里卡住了。即使技术变化的速度越来越快,但时至今日,射电依然是搜索外星人的主要媒介。在特斯拉提出利用射电波搜索外星人一个世纪之后,参与地外智慧生命搜寻(简称SETI)的研究人员仍在用天线扫描夜空,试图捕捉来自其它世界的人造射电信号。在这些努力下,统计学上限不断缩紧,还出现了几次假警报,令人短暂地兴奋了一下,但大多最终还是一无所获。

要想让SETI再次开始发展,需要的不仅是某种特定的新技术。更重要的是,我们要以全新的角度、将技术作为一个整体来思考。“我向来不太支持所谓的‘灯塔SETI理念’,”罗切斯特大学天体物理学家亚当·弗兰克表示,“这种方法的基本理念就是等待别人通过射电信号发信息给你。但我觉得也许没人想这么做。”以弗兰克为首的一些研究人员采用的是另一种不同的搜索方法,侧重于寻找外星人的“技术特征”,即外星技术在改造环境时留下的痕迹。

从SETI向“技术特征”的转变将改变我们对地外生命的想象。正在兴起的技术特征科学也重新引发了一场沉寂已久的争论:要想与外星人联络,我们是否需要停止“只听不说”的传统做法、开始主动向外发声?如果我们向宇宙宣告自己的存在,会不会造成地球的毁灭?

SETI由上世纪50年代的“太空时代”心态发展而来。当时火箭科学家们起草了一系列计划,准备将太空飞船送往其它星球;与此同时,天文学家也开始针对来自遥远天体的射电信号开展详细研究。美国国家射电天文台的射电天文学家弗兰克·德雷克将这两大主题融合在了一起,开始思考其它世界的智慧生物是否也会以类似的方式向外探索,并试图通过射电波与我们联络。利用美国国家射电天文台的85英尺口径射电天线,便可探测到这些信号。

1960年,德雷克开展了“奥兹玛计划”,试图搜索地外文明发出的信息。他利用85英尺口径的射电望远镜扫描夜空,同时用一台扬声器抓取静音噪声中可能隐藏的信息。这项小规模计划吸引了大量媒体与学界关注。一年后,德雷克召开了首次SETI会议,邀请了十余名顶尖科学家前来探讨搜索地外文明的前景。年轻的天文学家吉尔·塔特也是其中一员。几十年后,她成为了迄今为止规模最大的SETI项目——NASA的高分辨率微波巡天计划的项目科学家。

1974年,阿雷西博对准25000光年之外武仙座的M13星团发射了一个问候信息,里面包含了1679个比特的序列。1679是23和73两个质数的乘积,我们希望接收到这个信息的外星文明,可以解译出如下73×23的图形。这里包含了地球与人类的太多隐私,比如我们擅长的十进制、人类DNA的元素与基本结构、地球人口数目(1974年)、地球的位置、甚至地球男人的平均身高!

NASA的这项努力在1992年给了人们很大的希望。但仅仅一年之后,希望就破灭了。内华达州参议员理查德·布莱恩将其单独拎出、作为“政府浪费”的典型案例进行鞭笞。美国国会不仅叫停了这一项目,还禁止NASA对该方向上的任何研究项目投入资金。塔特此时挺身而出,共同创立了非营利性组织SETI研究所,希望通过私人赞助继续自己的研究,但该领域的名声已经到了崩盘的边缘。

情况就这样停滞了。但当时没有人意识到,两位名气不大的瑞士科学家其实已经为SETI的复活奠定了基础。1993年,就在参议员布莱恩嘲笑SETI项目的同时,日内瓦天文台的米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎罗兹完成了一种新仪器的设计。这种仪器敏感度很高,甚至可以发现太阳系之外的行星。1995年,二人将自己取得的成功公之于众:他们发现了第一颗围绕其它恒星旋转的行星。他们的同事弄清了搜索的方向和方式后,新的探测结果便开始如雨后春笋般纷纷浮现。截至目前,人类发现的系外行星数量已经超过了4500。

随着我们发现的系外行星数量急剧增加,“其它行星上可能存在生命”已经不再是一种哲学上的猜测,而是可以通过实际行动加以探究。研究人员发明了一个新词——“生物特征”,用来描述能说明其它星球上存在生物活动的化学证据。例如,地球上的氧气通过光合作用产生,甲烷则由微生物消化有机质产生。这两种气体会发生相互反应,所以在氧气含量较高的大气中,甲烷若得不到稳定的补充,就会迅速消失。因此如果能在某颗系外行星上同时发现氧气和甲烷,这就是生命存在的有力证据。

塔特很快意识到,生物特征对SETI项目而言也具有重要意义。任何可以观察到的新陈代谢活动的迹象都可以视为生物特征。她不禁开始思考:如果是技术活动留下的印迹,我们该叫它什么呢?技术特征?人类改造地球的方式有千百万种,但从未有意向宇宙宣告过我们的存在。白天,我们从工厂排放出滚滚浓烟;夜间,我们则用灯光点亮城市。我们根本忍不住这么做,就像细菌忍不住释放甲烷一样。由此引申开来,先进的外星生物也可能在创造工业化文明的同时,以可见的方式改造了自己的星球。

在2006年为国际天文联合会做的一次讲演中,塔特介绍了这种全新的概念,并指出SETI需要一个更广义的定义。她提出,如今是时候对任何指向外星技术存在的线索展开追寻了。

2018年秋天,SETI的“品牌再造”事业终于迎来了突破性时刻。NASA在休斯顿召开了一次“技术特征研讨会”,不仅召集了一些外星生命搜寻领域的“老将”,还邀请了其他多名科学家,比如亚当·弗兰克。弗兰克的主要工作是研发精细的恒星演化计算机模型,此前从未认真思考过SETI问题。但技术特征的概念却引起了他的兴趣,因为它将重点从“外星人会不会发射信号”这一项具体动作上转移到了“外星智慧生命会如何生活”这一更加广泛的问题上。

除了提出新思想、新理念之外,此次技术特征研讨会还承诺为SETI研究提供一剂已缺席四分之一个世纪的“灵丹妙药”:来自NASA的资金支持。系外行星的发现不仅给了NASA科学上的动力,还为其赢得了政治上的支持。人们会嘲笑SETI只是一项“寻找小绿人”的研究,但对生物特征的研究听上去却是一个正经、严肃的观测项目。果不其然,对生物特征项目的拨款很快就顺利通过了审批,为接下来的技术特征研究资金铺平了道路。

近20年间对系外行星的研究表明,对技术特征的搜寻虽然存在挑战,但还是有可能实现的。当系外行星与自己围绕的恒星以及地球排成一线时,从地球看去,就好像这颗行星正在从恒星前方穿过一样。恒星的光线从行星大气中穿过时,一小部分光线会被大气层中的气体吸收,我们可以借此判断其中发生了哪些化学反应。有时候,我们还可以捕捉到行星表面反射的少量恒星光线。通过对这些极其微弱的效应展开分析,研究人员已经在这些遥远的世界中发现了钠、水、二氧化碳、甚至氧气和甲烷。人造化合物也许比天然物质罕见得多、也难找得多,但从理论上来说,探测过程都是相同的。

去年,弗兰克和合作者们获得了NASA 拨给技术特征研究的第一笔资金,终于结束了SETI长时间的停滞。该研究团队将能量生产和制造视为工业文明最基本的两个方面,然后以此为出发点,寻找从数光年之外观察到这些事件的方法。以哈佛大学科学家阿维·勒布早年间发表的论文为基础,研究人员最终将目光投向了两种信号源:太阳能电池板、以及氢氟烃类化合物。

他们的推断是,外星人要想将恒星的光线转化成清洁能源,很可能会使用太阳能电池板。如果它们用太阳能电池板将自己的星球包裹起来,行星的外观就会发生显著变化。从太阳能光伏板上反射的光线与从湖泊或岩石上反射的光线有明显不同。不仅如此,太阳能电池板给行星带来的变化是可以预测的,不受外星文明研发的技术类型影响。无论你是不是外星人,可用的元素种类都是一样的。研究团队正在建立不同的计算机模型,模拟不同类型的太阳能装置的外观,然后分析这些装置对我们的观测要求。

相比较而言,氢氟烃化合物更像是一种“人类限定”的技术。但这是寻找“大气技术特征”的一个很好的出发点。所谓“大气技术特征”,是指工业文明向大气中排放的任何特殊物质。氢氟烃化合物挥发性很强,常用作溶剂、制冷剂、起泡剂和气溶胶喷射剂。这些物质既然对我们用处多多,其它物种或许也能发现它们的“诱人之处”。但氢氟烃化合物会破坏臭氧层,因此地球正在逐步禁止这类物质的使用。很难想象先进的外星文明会盲目地使用这些物质、导致自己的行星遭受污染。不过话又说回来,它们也许并不需要臭氧层,它们也许生活在地下,甚至可能将自己的工厂转移到了另一颗无人居住的星球上。此外,氢氟烃化合物的保温效果很好,外星人说不定会使用这些物质控制自己行星的气候呢。

从技术特征的角度来看,氢氟烃化合物尤其引人注目,因为它们在自然界中不存在,而且即使浓度很低,也很容易探测到。因此氢氟烃化合物是帮助我们了解人造化学物质对外星大气影响的很好的出发点,或可带领我们发现无数神奇的外星文明。

这也是搜索技术特征最大的挑战之一。外星技术的形式可能极其繁多,远远超出人们的想象。而我们只能从自己了解的技术起步,然后发挥创造力、一步步向外推断。

弗兰克表示:“我们想对各种可能性展开系统性思考,建立起‘技术特征名录’。”一些研究人员已经开始这么做了。例如,NASA戈达德太空飞行中心的行星科学家拉维·科帕拉普对二氧化氮非常着迷。二氧化氮是燃烧或高温制造业的副产物之一。下一代太空望远镜应当可以探测到30光年之外与地球相当的二氧化氮水平。还有人建议寻找重金属工业污染、甚至从原子弹战争中留下的核污染痕迹。

不过,技术特征不一定会以污染物的形式存在。人工照明的光谱与恒星的光线大不相同,因此未来的望远镜或许可以捕捉到外星大都市夜晚的光芒。据我们所知,任何能量使用过程都会释放出热量。如果对异常的红外热排放现象进行搜寻,也可以帮助我们寻找系外行星上的城市或工业园区。然而,这些信号有可能比氢氟烃化合物或太阳能电池板更不易察觉。利用现有探测途径,我们也许根本发现不了它们,除非外星文明的规模远远超出人类有史以来的任何成就。

但话又说回来,它们为何要这么做呢?SETI的领衔研究员、宾夕法尼亚大学的杰森·莱特针对外星人造物撰写了大量文章。例如,当外星人口超过了行星可容纳规模后,它们也许就会围绕自己的恒星修建一个巨型结构,提供更多居住空间,或是更好地捕捉恒星的能量。按照这种设想,我们能观测到的就不仅是科技的副产物了,而是技术本身。从远处来看,这颗被巨型结构围绕的恒星的光芒会先开始闪烁,然后随着工程完工逐渐黯淡下去,最终只剩下该巨型结构发出的红外热量。

六年前,这种设想一度差点“成真”。天文学家塔贝莎·博亚吉安发现了一颗非常古怪的变星,与之前发现过的任何天体都不一样。就连她的同事们都不得不承认,他们无法彻底排除这是个外星巨型结构的可能性。虽然目前天文学界达成的共识为,这颗变星并没有那么玄乎,可能只是一颗由尘埃环围绕的年轻恒星而已。但这场争议为技术特征研究领域吸引了不少注意力,也使得莱特开始思索,如何以更负责、更科学、更严格的方式调查外星人造物。

莱特对外星技术的设想可谓天马行空。他认为,外星技术可能已有数百万年、甚至数十亿年之久,形式可能是自动太空探测器,也可能是远古时期考察活动留下的太空垃圾,就像阿波罗任务留下的遗骸一样。我们只有抱着如此开放的心态,才有可能找到可行的探测方法,找到外星技术特征在我们周围留下的蛛丝马迹。

但在地球上搜索外星技术的痕迹也许纯属浪费时间。地球的地质活动太过活跃,而且地球生命的破坏性太强。相比之下,在月球上展开搜索也许更合适些。在月球上,任何由访客留下的结构或设备都会永久保留下去,也许借助图像搜索或雷达扫描便可发现它们。外星人也许还会在稳定轨道上放置一些太空探测器,用于监测太阳系。对轨道的稳定性要求虽然排除了很多地点,但像小行星带这样的区域倒是有可能的,因为探测器可以与周围的小石块融为一体、不易被我们发现。

人造天体的颜色和成分也许与普通天体明显不同,并且内部可能是空心的,因此密度会比普通小行星低许多。由于密度较低,它们的轨道可能会在阳光的压力下发生偏移。假如这种情况正在发生,我们甚至可以在其改变轨道时发现它们的踪迹。从2023年开始,智利的鲁宾天文台将对太阳系内的小型天体展开目前为止最大范围的搜寻。研究人员希望能建立起一套预警系统,一旦望远镜探测到长相古怪的物体,就会将其标记为“可能的技术特征”,以开展进一步分析。

无论外星技术特征的形式如何,都有一个统一的前提:无论外星文明是否希望被探测到,我们都有可能探测到它们。但这种透明性原则是双向的,如果外星人会因为自己的正常活动而暴露在我们的目光之下,那我们也可能暴露在它们的目光之下。今年年初发表在《自然》上的一项研究指出,我们附近有1715个恒星系能看到地球从太阳前方穿过。一旦发生这种情况,地球大气就可能将我们的工业秘密暴露无遗,比如氢氟烃化合物、二氧化氮等等。

科幻小说中常常警告我们,不要将自己的存在向外星人广而告之,因为它们一旦掌握了我们的位置,就可能对我们造成伤害。这也是刘慈欣的《三体》三部曲的核心思想。大多数科学家对向太空发送信号的项目都持谨慎态度,霍金也曾公开反对过这种想法。但技术特征理念指出,这些担忧更多出于恐惧、而非出于逻辑。曾在塔特手下工作的心理学家及天体生物学家道格拉斯·瓦科赫就秉持着这一观点:“人们总感觉外太空就像一座危险重重的森林,因此我们最好藏起来、不要叫人发现;但事实上,要想躲藏起来,如今为时已晚。既然如此,我们应该怎么做呢?”

瓦科赫成立的组织METI International的名字已经暗示了他的答案。METI意为“向外星智慧生物发送信息”,差不多刚好与SETI(搜索外星智慧生物)反过来。瓦科赫等METI支持者认为,既然我们的技术特征早已暴露在外,任何人都能看见,而且目前尚未给我们招来任何祸端,我们也许并不需要担心向外界宣布自己的存在会带来什么危险。

如果抛开这种恐惧不谈,我们不妨好好思索一下自己想说什么,毕竟这个话题非常丰富、也非常有趣。目前为止,人类只尝试了几次向外发射星际信号。其中最著名的当属第一次:1974年,SETI的先驱弗兰克·德雷克向M13星团发射了一个射电信号,编码信息中包括DNA、人类、以及用于发射该信号的射电望远镜的图像。

但此次尝试存在一大限制(其后的几次尝试也是如此):德雷克并没有解决“外星人何必回复我们”的问题。从统计上来说,我们能联系到的任何外星文明也许都比我们古老得多、技术也发达得多。我们要提供什么样的信息,才能对它们有一定价值呢?也许我们提供的信息可以让它们想起自己的起源,也许能提供智慧物种演化方式的新思路。也许它们会出于善意回复我们一下,但也可能不这么做。无论如何,弄清外星社会的动机将是技术特征研究领域的新级别挑战。

“缺少动机”或许可以解释费米悖论。假如它们知道我们的存在,为什么不联系我们呢?也许是因为外星智慧文明并不存在,但也有可能因为它们对我们完全不感兴趣。已逝的斯坦福大学电气工程师罗纳德·布雷斯韦尔将SETI比作“申请加入星系俱乐部”。“但我们得先拿到邀请函才行。”瓦科赫指出,“不管我想加入哪个俱乐部,都需要先提出申请。假如被俱乐部接收,我还要支付会员费才行。”

假如瓦科赫说得对,那么仅仅倾听外星信号是不够的,通过空气污染和城市灯光标记我们的存在也不足以解决问题。要想加入“星系俱乐部”,唯一的方法只有对我们的技术特征加以控制,然后大声向外宣布:“我们就在这里。如果你做出回应,我们有许多精彩的故事要告诉你。”

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