中国天眼刚启用半个月，就发现了地外文明信号？

brabradi

题图来自视觉中国，本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），原题目《中国天眼首次发现新的快速射电暴，这是星际飞船 " 光帆 " 的能量泄露吗？》，作者：李莹、黄烨、田晓娜
4 月 28 日，被誉为中国 " 天眼 " 的 500 米口径球面射电望远镜（FAST）正式开启地外文明搜索（SETI），寻找来自宇宙深处高智慧生命的信号。
5 月 13 日，从中国科学院国家天文台获悉，通过海量巡天数据进行快速搜索，FAST 首次发现一新的快速射电暴。快速射电暴是一种持续仅数毫秒的神秘射电暴发现象，有关其起源的研究是当前天体物理前沿热点课题。
有科学家猜测，两个中子星碰撞、两个黑洞碰撞，也有科学家猜测快速射电暴是外星人制造的光帆，也就是外星人的动力系统在推动光帆进行星际旅行的时候泄露的能量。
在造就的舞台上，有一位科学家向我们讲述了如何利用 FAST 来寻找外星人、寻找地外文明信号的故事。


张同杰
北京师范大学天体物理学教授、博导
以下为演讲正文：
一谈到地外文明，大家普遍认为，这是天文爱好者或者科幻小说家的工作。但作为一个天文学家来说，我想真正用科学手段来研究地外文明。实际上，它应该是天文学家的任务。


" 中国天眼 "FAST
今年 1 月 11 日，我们贵州的 FAST 望远镜通过国家验收，开始正式上岗、进行观测。地外文明的观测，就是 FAST 望远镜的五大科学目标之一。


关于外星人的三个问题
20 世纪 50 年代的时候，著名物理学家费米曾经提出一个假设：
如果说生命在整个宇宙中的演化历程是普适的，那么在我们的银河系之中，就应该形成一个银河文明网络，一代一代的文明应该延续下去，直到今天。为什么我们没有观测到其他文明？他们都在哪儿呢？
这就是著名的费米悖论。
有的科学家认为，或许宇宙中的生命是普适的，但是高级生命或者是智慧生命或者外星人不是普适的。
科学家德雷克在 60 年代的时候写了一个公式来计算我们银河系之中能够与外界进行交流的高级文明的数量。


德雷克公式
左边文明数量，用 N 来表示，右边描述的是能够产生文明的因素，比如说银河系内恒星形成的速率、恒星周围的行星形成的概率多大等条件。
基于这个公式，把所有可能的条件考虑进去，我们可以估算一下银河系之中到底有多少个地外文明。我们现在用望远镜在银河系看了大概四千多个系外行星，估算下来在银河系里可能有数亿个文明存在。


宇宙观 - 哥白尼原理
我们对宇宙的认识，历经了地心说、日心说、银河系中心说。天外有天，人外有人，地球在银河系的位置没有什么特殊性。这是理论，科学家需要去证明理论的正确性。
既然如此，我们需要不需要去寻找？
大家很熟悉《三体》里面的 " 黑暗森林理论 "：宇宙是一个黑暗森林，宇宙中的每一个文明就是一个猎人拿着猎枪，他在黑暗森林里面走的时候，如果发现另外一个文明，首先做的第一个反应就是把这个文明给干掉。


物理学家霍金也曾警告过人类，不要盲目地去主动和外星人接触。
但是，他们这些观点实际上是基于我们地球资源有限，文明和文明之间必须因为资源而相互杀戮的前提条件下推导出来的。现在是在整个宇宙中来寻找地外文明——整个宇宙足够大，不存在争夺资源的事情。
所以我的观点和他们完全相反——想象一下，如果在一个狂风暴雨的漆黑大海上，你驾驶一艘船，在远处发现一点星光，是来自另一艘帆船的，这时候你是拿出枪来把他干掉，还是说找到他，互相帮助、互相依存？


寻找外星人的意义
所以我提出我的黑暗大海理论，这是我们寻找外星文明的现实意义，地球有一天很可能无法生存，我们需要外星文明的帮助。
现在来到到第三个问题，我们怎么来找外星人？
两个方向：我们发出信号给他们，他们发出信号给我们。
基于这两个方向，我们有三个办法：
第一，寻找宜居的系外行星。（周济林：地球只是驿站，人类的下一个落脚点在哪里？）
第二，我们从地球上向外太空发射无人飞船或者发射电磁波信号来寻找他们。上世纪 70 年代美国发出了五位信使：2 个先驱者号、2 个旅行者号、 1 个新视野，携带了我们地球上的很多文明信息。这些飞船目前正在飞离太阳系，但是我们不会抱什么希望，而且这种方式成本非常贵。


对外发射无人宇宙飞船
第三种就是接收信号或者接收外星人过来的飞船。飞船是很多科幻小说的想象，至少我们现在没有证据。我们今天主要谈谈接收信号。
电磁波是最适合进行星际通讯的载体或者信使。光就是电磁波，它的速度是每秒三十万公里，光到达离我们最近的一颗恒星比邻星，仅需要四年时间。
而且发射电磁波的成本很小，我们打一个电话，发一个微信就是一个电磁波出去了。我们做这个探测的前提是，假定外星人的科技水平大于或等于我们地球人的水平。如果他的水平比我们还低，那么我们发的电磁波他也不懂，他们也发不出电磁波来。


射电波段
这张图的横轴就是电磁波的波长，最右边是射电波，最左边是伽马射线 X 射线。纵轴，就是这些电磁波穿透地球大气的能力。
我们可以看到，最左边这种波长很短的很难穿透大气，我们需要把望远镜放到天空上去观测才行，但你看右边这个射电波段，它可以全天候地不管刮风下雨，全天候地穿透地球大气到达我们的望远镜，也就是说，射电望远镜可以放在地面上观测。


张同杰在造就演讲
我们需要找的这个波段，它必须不容易被星际气体吸收，外星文明发过来的时候，它能穿越中间的那些星际气体和尘埃。再就是它能够穿透我们的大气层。其实设备制造非常容易简单，就像我们电视机，卫星接收天线，手机等等。
所以说射电是我们最佳选择，但是射电波段里面什么信号是外星文明的信号呢？
现在我们对宇宙的认识已经非常深入了，宇宙中的天体本身发出的信号宽度最窄是 500 赫兹，所以我们需要寻找那些小于 500 赫兹宽度的这种窄带信号，它才有可能是非自然的人为信号。
其实地外文明的观测从 20 世纪 60 年代已经开始了，当时德雷克就开启了全世界第一个搜寻地外文明的计划——奥慈玛计划。


SETI 之父德雷克
90 年代，加州大学伯克利分校建立了 SETI 研究小组。他们其中一个叫 SERENDIP，也就是搜寻邻近地球的地外文明发出的射电信号，这个计划是世界上运行最长的一个 SETI 项目，至今还在运行之中。这个项目也和我们 FAST 进行了紧密的合作。


加州大学伯克利分校 SETI 研究
天文学家在做地外文明观测的时候，发展了一套观测模式。对于地外文明的观测，很多望远镜都不想给它时间，知道大部分都是找不到信号的无用工作，所以发展了一套模式，叫共时观测。
其他科学家在观测其他的科学目标的时候，比如观测恒星、系外行星共同使用这批数据，这样就互不干扰。我们的 FAST 望远镜，将来的观测模式也是这种模式，这种模式也称为共时天文巡天观测。


SETI 屏保程序
观测的数据量很大，要甄别排除射电干扰、人类造成的干扰等，光凭这几个小组成员也很难做到，所以伯克利 SETI 研究小组发展了一种方式，开发了一个处理数据的屏保。任何一个人的计算机闲着的时候，屏幕保护就可以用来处理这些数据，处理完了数据自动发回伯克利。
就全世界用屏幕保护的用户分布情况来看，欧洲、美国是最多的，亚洲很少，中国几乎没有。
中国天眼 FAST 之父南仁东先生在最早的一篇综述文章里，有一段专门提到了地外文明研究，论述了 FAST 望远镜观测地外文明的优势—— FAST 望远镜是全世界灵敏度最高的射电望远镜。


天眼之父南仁东先生与他的论文
这是中国最早论述观测地外文明的一篇文章。基于文章，基于我们和伯克利的观测合作协议，2018 年，伯克利地外文明研究小组和我们共同在 FAST 望远镜上装了一个后端设备，我们就开始了观测。


人工模拟信号示意图
上面是一些人工模拟的信号示意图，左边这个很尖的就是一个很窄的信号，右边是宽带信号。
小于五百赫兹的窄带信号，我们人类很容易制造出来，所以我们在进行观测的时候，要区分、去除我们地球上人类制造的这种窄带信号，需要很复杂的程序甄别。


FAST 望远镜观测到的信号数据
我从 2014 年开始努力推动中国的地外文明研究。我们在系统装了后端设备，利用 FAST 望远镜进行了真正的观测。
上面两张图就是在 FAST 望远镜上对地外文明观测的实际数据。这两张图左边是个宽带信号，大部分都是地球上的干扰，比如说雷达的干扰、飞机的干扰，手机的干扰，左边这些窄带信号是我们筛选出来的，有可能是地外文明发出的信号。
当然了，我们现在不敢下结论，不过这篇文章已经在美国《天体物理》上发表。这篇文章是在说，我们已经用 FAST 做了这样一个研究，我们得到了很多的候选者，但是窄带信号里面哪个是地外文明的信号，需要去甄别，也可能最终得到的结果都不是，这是最有可能的。


张同杰及其团队在美国《天体物理》杂志发表的文章
最近几年关于快速射电暴是否是外星人信号的新闻也非常多，快速射电暴能在几毫秒内释放出相当于太阳释放一整天的高能量。科学家也给它了很多的解释模型，比如说两个中子星碰撞、两个黑洞碰撞，但是大家都没有完全定论。


快速射电暴
这就给一些科学家想象的空间。哈佛大学天文系的主任 Abraham Leob 认为，快速射电暴就是地外文明外星人制造的光帆，也就是外星人的动力系统在推动光帆进行星际旅行的时候泄露的能量。
这种能量要非常高才行，如果这个能量不高的话，没法推动光帆，因为光帆也非常大，可能要像地球这么大的光帆才行。而要想推动这么大的光帆，你需要高功率的能量机制。他认为，快速射电暴可能是这种能量机制泄露出来的。


Abraham Leob 论文截图
他进行了非常详细的计算，这篇文章就发表在美国著名的《天体物理》杂志，在全世界媒体圈引起了一场轩然大波。当然这是一种观点假说，科学家也不是都不会犯错误。
50 年代时，美国康奈尔大学的两个天文学家 G.Cocconi 和 P.Morrison 发表在 Nature 的一篇文章谈到了对地外文明的展望：
我们观测地外文明成功的可能性非常小，但是如果我们不去寻找，不去观测，那么成功的可能性就是零。


去年，在美国伯克利地外文明研究小组讨论的时候，我曾经问过他们：你们认为再过多少年，能够发现地外文明？一个科学家说 20 年，另一个科学家说明年就能看到。但是我个人认为，用不了 20 年，可能 10 年到 15 年，我们的 FAST 将会有定论。
定论的意思是——第一种可能性，我们找到了地外文明的信号了，如果找到，那是非常重要的事情。
第二个可能性是确实没找到，FAST 是全世界最灵敏的射电望远镜，它找不到可能意味着，我们现在的技术暂时还是找不到，可能要有更先进的技术才能做到。


SETI 的希望
我们期待着 FAST 能在未来给出一个定论。
本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），作者：李莹、黄烨、田晓娜