SETI：射电搜索

Ron Hipschman

song3286译自seti@home网站

　　SETI（The Search for Extraterrestrial Intelligence，地外文明搜索）是一项庞大的任务。我们应该从哪里开始，又应该怎么做呢？我们必须对有关方法取得一致意见。可以想到的方法有几种：

　　首先，我们的外星朋友可能乘宇宙飞船旅行并访问地球。这是一种非常好的交流方式——面对面的。不幸得很，尽管有那些所谓的罗斯韦尔事件、外星人绑架事件、UFO目击事件，却没有哪怕是一丁点儿科学证据表明外星人曾经访问过地球。一个证据也没有。星际旅行需要花费的能量和时间是如此巨大，因此必须找到一种比较“经济”的办法。简单的计算表明，即使有人能造出发动机效率最高的飞船（《星际迷航》的爱好者们会很开心地想到，这一定涉及物质和反物质），到离我们最近的恒星——半人马座 α 作一次往返时间共20年的旅行，耗费的能量可以供100万个家庭使用3000万年！而且飞船还只能搭乘很少的几名乘客。以目前的价格计算，这么多能量的花费远超过3×1016（3亿亿）美元，因此这不是一种经济的交流方式。你能想象哪个外星政府会耗费这么多资源来派遣几个他们的成员做一次友好访问吗？当然，他们可以发射数以千计或百万计的轻型探测器，用以宣告他们的存在，探测器也可以报告它们的发现。但是这样还是会花费大量的时间和能量。尽管我们愿意相信那些空间弯曲、多维空间移动或其它科幻小说中的奇思妙想，但它们不过是幻想而已。



　　外星人似乎不可能花费目前价值3×1016（3亿亿）美元的能量来亲自访问地球。
通过射电信号接触更加经济。上图是一张伪造的UFO照片。

　　如果你只是想和居住在遥远国家的亲戚朋友说声“你好”，你会怎样和他们联系呢？你会到他们那里去吗？恐怕不会。只需要简单地拿起话筒打一个电话，或者发一封邮件，又或者如果你有合适的设备的话，甚至可以使用可视电话。所有的这些方法都要比乘飞机旅行更加经济，也更及时。同样的，任何发达的文明都可能会采用最经济的方法进行沟通。

　　我们所知道的最好方法是利用射电波（无线电波）进行交流。用无线电波发送信息非常便宜，所使用的设备容易建造，无线电波也具有这项任务所需要的承载信息的能力。而且，（使用这种方法）信息是以宇宙中最快的速度——即光速——传播。宇宙飞船不可能达到这个速度。而且，使用射电发射机，你可以将它指向许多方向，同时与许多不同的文明交流。用飞船是做不到这一点的！看看我们使用射电传输的途径吧：无线电广播和电视、蜂窝移动电话、无线寻呼、所有的卫星通信、GPS导航，还有许多其它的。在地球上，我们已经决定了最经济的方法。

　　如果我们打算搜索外星人试图用以与我们接触的射电信号，还有一个问题需要解决。打开收音机的时候，我们需要决定我们想要收听的频率，或者说频道。你可以调谐不同的无线电波段——调幅（AM）、调频（FM）、短波（SW）、业余频段（HAM）、警用频段、气象频段等等——来收听我们想听的节目。同样，我们也需要调谐我们“宇宙的”耳朵来发现我们的外星朋友。电磁波频谱是非常非常庞大的，需要研究一些特殊的现象，使“调谐”决策变得容易些，至少可以帮助我们在宽大的电磁波谱中找到一个比较合理的、相对窄小的区域开始研究。

　　将射电望远镜指向天空，会收到各种各样的信号。有些来自银河系自身，有些来自地球大气层。将这些不可避免噪音制成图表，可以发现低频部分的噪音很多，那是来自银河系的。由于大气层噪音，高频部分也很嘈杂。在这两个嘈杂的区域之间，有一块相对平静的地带——从大约1GHz到大约10GHz。（1GHz是10亿Hz或者说每秒10亿次振动。这部分频谱正好是你的寻呼机和许多无线电话所用的频带。）

　　自然界提供了更好的方法，使我们的频率范围变得更精确。宇宙中最简单的元素，星际空间里的中性氢（H），在1.42GHz的频率上发出射电信号。另一种空间分子羟基（OH），发射频率是1.64GHz。注意，氢（H）和羟基（OH）结合在一起形成水（HOH，通常为H2O）。正如我们作知，生命需要水才能够生存和发展。因此，这两个频率之间的频带，即从1.42到1.64GHz之间相对平静的频带，被称为“水坑（The water hole）”。你希望与以水为基础的智慧文明在哪里相遇呢？当然是在“水坑”里面！这是一个很好的、限制得比较精确的频带，可以从这里开始搜索。以后我们当然可以扩展搜索范围。





　　干扰噪音（红色部分）是由低频的银河噪音与高频的大气层噪音组成的。“水坑”（蓝色部分）是指在氢（H）和羟基（OH）离子频率之间的部分。在“水坑”附近几乎没有噪音。

　　在此必须指出一个重要的事实：信号越窄（即频率越准确），就越有利于我们的朋友发送。对我们来说，窄带信号也比较容易从普通噪音中识别出来。不过，信号频率范围非常窄，也就意味着我们不得不搜索数以百万计的狭窄频带，寻找正确的那一个。这个问题我们后面还会谈到。

　　我们可能收到什么样的信号？我们应该寻找什么样的信号？这里有两种可能。一种可能是，其他文明有意地发送一个信号用来引起我们的注意；另一种可能是，像我们一样，他们只是在做他们自己的事情，有些第三者射电信号“漏了出来”。地球无意地发射着许多信号。我们的广播和电视发射机功率很强，军用雷达的功率更强。我们这样发射信号已经50年了，也就是说，我们的信号已经到达50光年以外的地方。这不算太远，但我们在科技上还幼稚得很。看起来，我们应该试着搜索那些泄漏出来的信号，并假设我们会收到特意发送给我们的信息。



我们用什么来搜索？


　　当信号从信号源传播出去以后，它会变得越来越弱。恒星之间的距离太远了，以至于任何信号到达地球以后都将非常的弱（除非信号是定向发送给我们的）。为收集足够多这样的信号，需要一个巨大的“耳朵”。对我们这种情况，那意味着一个巨型射电望远镜。

　　世界上最大的射电望远镜、被用于伯克利（Berkeley）SETI搜索的是阿雷西博射电望远镜（Arecibo Radio Telescope）。它位于波多黎各西北部，阿雷西博镇附近。望远镜建造在喀斯特地貌（Karstterrain）的凹地里，是一个直径为305米（1000英尺）的碟形天线。为了想象一下它有多大，可以这样说：大约需要100亿只普通的碗所盛的谷子才能将它填满。还是很难想象吗？这个碟形天线的表面积超过20英亩，可用孔径达18英亩，或者说26个足球场那么大。碟形天线可以反射天空中微弱的信号，将它们集中在悬于正上方450英尺的接收天线上。由于碟形天线是固定的、无法转动，所以接收天线被装在一条弓形的轨道上，从而可以“注视”离顶点（正上方）20度范围内的目标。这条弓形臂被安装在另一个环形的轨道上，可以在目标因地球自转而掠过天空时，使接收天线可以跟踪目标。这两种方式的移动使射电望远镜能扫描相当一部分天空。





　　“格利高里焦点（Gregorian Focus）”就在那个圆顶里面。圆顶左侧那个像矛一样的东西就是馈线。

　　射电望远镜有两个主要的天线系统：SETI@Home的馈线和巨大的半球形的“格利高里焦点（Gregorian focus）”。“格利高里”是阿雷西博天文台新增的设备。在圆顶里面有个无线电反射器，它们能够更准确地将无线信号集中在探测器上。圆顶在照片上看着很小，实际上其直径有85英尺！


调谐你的“耳朵”


　　1420MHz附近的频率非常值得观察，因为这个频率很接近“水坑”。而且，由于这个频率在射电天文上是很重要的频带，根据国际协议，任何人不得在1420MHz到1427MHz的频带上发送任何射电波。正是由于这个禁令，这个频段特别平静。让我们进一步看看这意味着什么。

　　我们要搜索什么呢？正如前面所讲的，对外星生命来说，能最有效地引起别人注意的方式，是将所有射电信号的能量集中在一个非常窄的频段内。如果你的无线接收机是“大路货”，只能观察很宽的频带，那么即使窄带信号很强，也会淹没在周围的无用信号里。

　　想象一下，一个大声吹口哨的人站在一大群嘈杂的人中间。口哨声有一个特定的频率或音调，如果你用耳朵来听，人群发出的噪音会把口哨声掩盖住，因为耳朵识别的是比较宽范围内的音调。那么，如果你的耳朵可以调谐到只能听到口哨的音调，会怎么样呢？人群的大部分噪音你都会听不见，因为它们不在你所“调谐”的音调上，但你可以听到很响、很清楚的口哨声。用同样的方式，SETI@Home收听许多经过精确调谐的频道（或频率）上的信号，这些信号都明显地“比噪音强”。通过你的帮助，SETI@Home所能进行的搜索将是迄今最详细、调谐最精确的搜索之一。你的计算机将会“收听”频宽只有0.07Hz的太空信号。

　　如果搜索成功了会怎么样？如果地外生命的信号被发现了会怎么样？SETI的团体通过了一个“关于搜索地外智慧生命活动的原则的声明”，规定了在有所发现的情况下互相通知并向世界公布的程序。首先，发现者必须以所有可能的方式来核实所发现的信号确实来自地外。然后，发现者可以通知在这个领域里面的其他人，以获得对这一发现的独立验证。如果通过了这样的试验，发现者可以广泛地将这一信息发布给科学共同体、联合国秘书长和公众。所有收集到的数据都将对科学共同体公开，作进一步分析。正如你所看到的，尽管一些科学边缘团体里充斥着“阴谋论”（译注：“边缘”相对于“主流”而言，此类团体支持一些主流科学界不肯接受的理论，与新时代运动、超自然论、神创论比较亲近。声称政府隐藏飞碟和外星人事件的真相，以此解释为什么缺少飞碟到过地球的确凿证据），并不会有任何隐藏数据、不让公众知道的企图。

　　如果运气不坏，我们也许能够在有生之年知道，在银河系里面，我们是不是孤独的。我充满希望地认为，我们能够发现很多地外的朋友。