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标题: 与外星对话：地外文明搜索（SETI）揭秘 [打印本页]

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作者: 青岛烽火    时间: 2009-7-13 09:54
标题: 与外星对话：地外文明搜索（SETI）揭秘
在宇宙中，我们是否是孤独的？宇宙中是否存在着我们可以与之交流的智慧生命？如果只凭太空旅行，我们也许永远也找不到问题的答案，因为恒星间的距离远得令人不可思议，而我们在太空火箭方面最先进的构思（如光能推进、核能推进、太阳帆和物质-反物质发动机）也要等到许多年后才能变成现实。 我们如何才能探测到地外（ET）生命的迹象呢？其中的一条途径是对来自地球以外的所有无线电信号进行基本侦听。无线电不但是一种低成本的通信方式，也是科技文明存在的标志。从20世纪30年代开始，每天都会有无线电波和电视广播信号从地球发射到外太空，这在无意中宣示了人类的存在。
每天都有专职的科学家在从事地外文明搜索（SETI）工作。在电影《超时空接触》（Contact）中，由朱迪·福斯特（Jodie Foster）扮演的艾莉·阿萝薇（Ellie Arroway）用几台巨大的射电望远镜对天空进行搜索。她收到了一条来自遥远星球的无线电消息，这对人类有着深远的意义。
SETI是一个极具争议的科研项目。一些科学家相信这完全是在浪费时间和金钱，而另一些则认为对地外信号的探测将永久地改变我们的宇宙观。在本文中，我们将对SETI计划进行探讨。我们会向您介绍射电望远镜的工作原理以及它们是如何用在地外文明搜索中的，此外您还将了­解探测到外星文明的可能性有多高、如果或者当探测到此类信号时会发生什么事情，以及您如何才能亲身参与到地外文明搜索工作中。

在天空中搜索来自地外的无线电信号
宇宙是一个极为广阔的世界。如何才能最有效地在浩瀚的天空中搜索来自地外的无线电信号呢？有三项基本难题：

[li]如何搜索如此广阔的天空 [/li][li]若要寻找地外信号，应该将无线电调节器调到什么位置 [/li][li]如何充分利用可供SETI使用的有限射电望远镜资源 [/li]

[size=+1]对天空进行大范围和小范围搜索

因为天空实在是太广阔了，所以地外文明搜索采取了两种基本方法：
大范围搜索——在这种方法中，您依次对天空的各个大片区域进行探测，以寻找信号。一次大范围搜索可以在较短的时间内以低解析度搜索整个天空。不过，在探测到某个信号后，如果不进行后续的高解析度搜索，就难以查明该信号的确切来源。 有目标搜索——在这种方法中，您将深入研究有限数量（1,000-2,000颗）的类日恒星以寻找地外信号。有目标搜索可以对那些我们认为可能存在地外文明的位置（如拥有行星且满足我们已知的生命生存条件的恒星）进行更为详细的调查。不过，这种方法会忽略天空中的大部分区域，如果猜测错误，那么所有工作都会徒劳无功。 [size=+1]频率是多少？


当您置身于一个陌生的地区，想用汽车上的收音机搜索一个广播电台，您必须转动电台调节器，直到收到信号为止；也可以按“搜索”或“扫描”按钮（如果你您的收音机有这样的功能）来搜台。问题在于，地外广播的频率是多少？这可能是SETI研究人员面临的最大难题，因为频率实在是太多了，用卡尔·萨根(Carl Sagan)的话说，“足有几十亿种”。宇宙中充满了由自然现象产生的射电噪音，就像夏季的夜晚处处都可以听到蟋蟀和其他昆虫的声音一样。幸运的是，大自然在无线电频谱中提供了一个具有低背景噪声的“窗口”。

[size=-1]窗口（或称“水洞”）显示在无线电频谱的微波频段

在1-10千兆赫(GHz)的频段内，背景噪声水平突然下降。在这个频段有两种由激发态的原子或分子产生的频率：1.42 GHz，由氢原子产生；1.65 GHz，由羟基离子产生。由于氢和羟基离子是水的组成成分，因此这个频段也称为水洞。许多SETI研究人员推测，地外文明已经知道了这个频段，并由于该频段具备噪声低的特性而有意利用它来进行广播。因此，大多数地外文明搜索规程中都会将频谱中的这个频段包括在内。虽然人们还找到了其他一些有“特殊意义”的频率，但SETI研究人员尚未就使用此类频率中的哪些部分达成一致。
还有一种方法是制造出可以同时扫描几百万或几十亿种频率的大型多频道带宽信号处理器，而不是将搜索范围限定在某个特定频率或频段。许多SETI项目均使用了这一方法。
[size=+1]有限的射电望远镜资源


世界上射电望远镜的数量是有限的，SETI研究人员必须与其他射电天文学家争夺这些设备的使用时间。这一问题有三种可能的解决方案：

[li]限制在现有的射电望远镜上执行各项观测任务的时间
[/li][li]对其他射电天文学家获得的射电数据进行SETI分析（搭载式或寄生式搜索）
[/li][li]建造完全用于SETI研究的新射电望远镜 [/li]

许多SETI研究是在现有射电望远镜上的“租用”时间内完成的。在电影《超时空接触》中采用的就是这种研究方式。而在现实中，菲尼克斯(Phoenix)项目（SETI唯一有目标搜索的项目）租用了澳大利亚的帕克斯(Parkes)射电望远镜、美国西弗吉尼亚州格林班克市(Green Bank)的140米望远镜和波多黎各的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜的使用时间。菲尼克斯项目有满满一卡车的信号分析设备，用来连接到望远镜上进行搜索。
SERENDIP项目将一部额外的接收器搭载在一台正在由其他人使用的射电望远镜（阿雷西博）上。此后，SERENDIP的研究人员会分析从相关目标处获得的信号。SERENDIP项目可以对大量的望远镜使用时间进行充分利用，但其研究人员无法控制研究哪些目标，也无法进行后续研究以确认可能的地外信号。
艾伦望远镜阵列是由地外文明搜索研究所(SETI Institute)建造的新型射电望远镜。这一阵列设在旧金山东北部，位于加利福尼亚大学伯克利分校哈特河(Hat Creek)天文台的“无线电静默区”内，它专用于地外文明搜索，利用干涉测量法和数百甚至数千台家用型卫星接收器来收集无线电信号（请参阅接收器以了解有关射电望远镜的信息）。艾伦望远镜阵列预计耗资2,600万美元。

[size=-2]塞思·肖斯塔克 (Seth Shostak)/地外文明搜索研究所供图 [size=-1]艾伦望远镜阵列（顶部：由七台接收器组成的阵列原型； 底部：画家笔下的阵列完成图）

[size=+1]SETI项目


有几个SETI项目从1960年就开始了。其中的一些主要项目包括：

[li]奥兹玛(Ozma)项目——第一个SETI搜索项目，由天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)于1960年发起
[/li][li]俄亥俄州“大耳朵”SETI(Ohio State Big Ear SETI)项目——于1973年启动，并于1977年探测到一段简短的不明信号（称为WOW! 信号）。1997年，该项目为了给一座高尔夫球场让路而关闭。 [/li][li]SERENDIP项目——由加利福尼亚大学伯克利分校于1979年启动
[/li][li]美国航空航天局高解析度微波探测(HRMS)项目——1982年由美国航空航天局启动，1993年因美国国会不再向其提供资金而中止
[/li][li]百万频道地外检测(META)项目——由哈佛大学于1985年启动，用来对840万个0.5-Hz频道进行搜索
[/li][li]哥伦布光学SETI (COSETI)项目——于1990年启动，它是第一个搜索地外激光信号的光学SETI项目
[/li][li]十亿频道级地外检测(BETA)项目——由哈佛大学于1995年启动，用来对数十亿个频道进行搜索
[/li][li]菲尼克斯(Phoenix)项目——于1995年启动，它是地外文明搜索研究所对美国航空航天局在SETI领域的研究的延续
[/li][li]阿尔戈斯(Argus)项目——于1996年启动，它是地外文明搜索联盟的全天空探测项目
[/li][li]南半球SERENDIP项目——于1998年在澳大利亚启动，这个搭载项目旨在对南半球的天空进行搜索
[/li][li]SETI@home——这个屏幕保护程序发布于1999年，它使用家用计算机分析SETI数据

确认信号是否来自地外


[size=+1]费米悖论[size=-1]诺贝尔奖获得者，物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)提出，如果生命要花几十亿年的时间才能进化出智能、学会如何通信和进行星际旅行，如果宇宙中存在着十几亿个文明世界，如果宇宙已经存在了130亿年之久，那么为什么至今还没有外星人来拜访我们呢？或者，为什么外星人没有布满整个银河系呢？这个论点曾经被用来质疑SETI的价值，作家大卫·布林在此基础上加以扩展，写成了《大寂静》(The Great Silence) 一文。

在探测到某个信号后，接下来需要一系列的步骤来确认该信号是否来自地外：
[li]将射电望远镜从目标处移开（离轴）——那么信号应该会消失，而且当望远镜重新指向目标时，它将重新检测到该信号。这就证实了这个信号确实来自望远镜的视野中。
[/li][li]必须排除地球上或近地位置的已知射电源（如卫星）作为信号来源的可能。
[/li][li]必须将已知的地外自然射电源（如脉冲星和类星体）排除在外。
[/li][li]信号必须由另一台射电望远镜（最好位于另一块大陆）加以确认。 [/li]
一旦信号得到确认，必须遵循特定的程序才能将这一信息发布出去。电影《超时空接触》很好地表现了地外信号的探测过程和其后发生的各项事件。 我们找到地外信号的可能性有多大呢？为了解决这个问题，天文学家弗兰克·德里克于1961年提出了一个用来计算银河系中的地外文明数量的方程式。现在它被称为德里克方程式，它的估算公式将天文学、生物学和社会学因素考虑在内：

[size=+1]N = R [sub][size=-1]*[/sub] xf[sub][size=-1]p[/sub] x n[sub][size=-1]e[/sub] x f[sub][size=-1]l[/sub] x f [sub][size=-1]i[/sub] x f[sub][size=-1]c[/sub] x L
其中：
[li]N——具有通信能力的文明数量 [/li][li]R[sub][size=-1]*[/sub]——恒星在银河系的生命期中的平均形成速率（每年形成10-40颗） [/li][li]f[sub][size=-1]p[/sub]——那些恒星拥有行星的比例（0 < f[sub][size=-1]p ≤[/sub]1，估计比例为0.5或50%） [/li][li]n[sub][size=-1]e[/sub]——每个行星系中类地行星的平均数目（0 < n[sub][size=-1]e[/sub] ≤1，估计比例为0.5或50%） [/li][li]f[sub][size=-1]l[/sub]——在这些行星中演化出生命的比例（0 < f[sub][size=-1]l[/sub] ≤1，估计比例为1或100%） [/li][li]f[sub][size=-1]p[/sub]——生命演化出智能的比例（0 < f[sub][size=-1]p[/sub] ≤1，估计比例为0.1或10%） [/li][li]f[sub][size=-1]c[/sub]——智慧生命发展出无线电之类的技术的行星比例（0 < f[sub][size=-1]c [/sub]≤1，估计比例为0.1或10%） [/li][li]L——拥有通信能力的文明的生存期，以年为单位（这个估计值的变化范围相当大，可以是几百年，也可以是几千年，作为示例，我们定为约500年） [/li]

[size=+1]注释[size=-1]某些形式的德里克方程式在R[sub][size=-1]*[/sub] 后增加了一个额外的项——f[sub][size=-1]s[/sub]，表示形成类似于太阳的恒星在总恒星数中的比例。f[sub][size=-1]s[/sub]是个非零值，它在0和1之间变化，其估计值为0.1或10%。

德雷克方程式中的各项比例数均为0-1之间的非零值。方程式右侧的前三项与天文学有关。接下来的两项属于生物学范畴。最后两项则属于社会学方面。 德里克方程式一直都是SETI研究中的一条指导原则。人们曾经计算出的N可以是从几千到几十亿之间的任何一个数值，即银河系中有这一数量的文明，具体数值由其他各项的估计值决定。
如果我们使用上面列出的估计值，并使R[sub][size=-1]*[/sub]等于40，则德雷克方程式变成了：

N =（40颗恒星每年）x (0.5) x (0.5) x (1) x (0.1) x (0.1) x (500 年) =50个文明正如您所看到的，德雷克方程式的结果高度依赖于您使用的各项数值，计算出的N可以是从1到几千之间的任意一个数。一直以来，SETI和一般性的天文学研究都将它们的一部分课题放在了收集数据方面，以便能可靠地得出德雷克方程式各项的估计值（如太阳系外的行星数量）。有关德雷克方程式的详细信息，请查看链接部分。


地外文明搜索（SETI）研究
1999年，加利福尼亚大学伯克利分校的科学家丹·沃赛莫(Dan Werthimer)和大卫·安德森(David P. Anderson)加入了SERENDIP项目。他们认识到，在对SERENDIP使用的阿雷西博接收器提供的数据进行分析时，其中的一个限制因素是可供使用的计算能力。他们并未使用一台或更多的大型超级计算机来分析数据，而是让许多较小的台式个人计算机能够通过互联网来分析被分成小片的数据。他们设计了一款名为SETI@home的屏幕保护程序，参加者可以通过互联网从加利福尼亚大学伯克利分校下载这一程序，并让其驻留在自己的家用计算机上。这个程序能够驻留在内存中持续工作，也可以作为屏幕保护程序使用。
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©2008 HowStuffWorks
SETI@home的屏幕（点击此处查看大图）[/td][/tr][/table]
下面是这一项目的工作流程：

[li]SERENDIP项目目前在波多黎各进行，并由设在该处的阿雷西博接收器收集数据。
[/li][li]数据连同观测的相关说明（如日期、时间、在天空中的坐标）和接收设备的相关说明一同储存在磁带或磁盘上。
[/li][li]数据分成可供台式个人计算机使用的小型数据块（数据块中包含大约107秒的内容）。
[/li][li]个人计算机上的SETI@home程序将从加利福尼亚大学伯克利分校的服务器下载一个数据块。
[/li][li]个人计算机将根据SETI@home程序中的算法分析下载的数据块。根据计算机的微处理器和内存容量，分析数据将花费10至20小时的时间。
[/li][li]在完成分析后，个人计算机会将结果上载到加利福尼亚大学伯克利分校的服务器，并标出分析中所有可能的命中项。
[/li][li]完成上载后，个人计算机会请求服务器提供另一个数据块，然后继续这一流程。 [/li]
屏幕保护程序分为三个部分：数据分析窗口（左上）、数据/用户信息（右上）和所分析数据的频率-能量-时间图（底部）。通过一种名为快速傅立叶变换(FFT)的数学方法将数据分布到多个频道来完成数据块分析。如果数据是随机的，则所有频道中的信号将相等。如果存在一个单独的信号（尖峰），则会有一个或多个FFT频道明显高于其他频道，且高于某个能量阀值。接下来，该程序会查看有没有某个尖峰的频率发生了向其他频率的小幅移动。这一移动是由地球转动引起的，它表示该尖峰来自地外射电源。最后，由于阿雷西博接收器是静止的，它无法随着地球的转动对物体进行跟踪，因此地外信号将在接收器的表面漂移，从边缘移到中央，然后再移到边缘，尖峰的长期图形看起来就像是一条钟形曲线。程序将进行测试，看看尖峰是否符合这一曲线。如果这三个条件都已满足，程序会对信息做出标记，以便加利福尼亚大学伯克利分校在稍后做出分析。


[size=-1]SETI@home的数据分析窗口


在屏幕的数据/用户信息部分中，不但有获取该数据块的那次观测的有关说明，还包含关于该用户的说明。


[size=-1]SETI@home屏幕的数据/用户信息部分




[size=-1]SETI@home屏幕的图形窗口


图形屏幕使用户一眼便可以看到分析进度。程序注明了所有观测到的尖峰，并将这一信息发回加利福尼亚大学伯克利分校做进一步分析。每个数据组都要经过两个用户的独立处理以便对其进行确证。如果某个尖峰符合可能的信号所应具有的条件，那么其他SETI项目将对相应坐标做出更细致的勘查，以确认这一发现。
您只需拥有SETI@home程序、一台计算机和互联网连接就可以参加SETI研究。到目前为止，SETI@home网站每天都能收到一百万个命中项，日访问人数达十万人。
地外文明搜索（SETI）的未来
如果公众的兴趣可以用私人基金会（如地外文明搜索研究所和地外文明搜索联盟）的资金支持和人们对SETI@home的参与程度来衡量，那么显然公众对SETI研究抱有极大的兴趣。下列领域的进展使SETI的前途看起来一片光明：

[li]新的SETI计划将对无线电频谱的其他频段（如微波频段）进行探索。
[/li][li]个人计算机的计算能力和互联网这两大领域所取得的技术进步，将使更多人加入SETI@home和其他采用分布式计算的程序开发中。
[/li][li]人们将建造新的射电望远镜（如艾伦望远镜阵列），专门进行SETI研究。
[/li][li]使用相对廉价的现有技术（如卫星接收器、计算机和电子设备），业余爱好者们可以实施自己的SETI计划。“鲍勃和麦克的大量投资”(BAMBI)项目就是这样一个业余计划。
[/li][li]由于地外文明可能会发送光信号而不是无线电信电（或同时发送两种信号），因此还会有更多的光学SETI计划出现。为了寻找类日恒星周围的地外文明发出的光信号，最好的方法大概就是观察光谱中的红外部分，因为恒星的背景光对这段频率的干扰较小，如下图所示：

[size=-1]类日恒星的光谱中显示了可见和红外 激光信标没有被背景光掩盖的部分。



其中一个光学SETI计划称为哥伦布光学SETI (COSETI)项目。
[/li]
几千年来，在宇宙中的其他地方存在智慧生命的可能性一直激发着人类的兴趣。我们今天所处的时代使我们拥有了足够先进的技术来探测地外信号，甚至能把我们的信号发送到其他星球。随着技术的进步和公众对SETI的兴趣日益浓厚，对于“地球之外有智慧生命吗？”这个古老的问题，我们正在一步步靠近答案。
接收器
如果地外文明是靠无线电来通信的，那么我们如何才能探测到这些信号呢？无线电信号是由各种光形成的波，这些光包括可见光、红外光（热）和X射线等。但它的波长比这些其他形式光的波长要长一些。为了探测地外无线电信号，您需要使用射电望远镜。射电望远镜是一种无线电接受装置，与您家中或车里的收音机类似。它包括如下几部分：
























[size=-1]射电望远镜（卡塞格伦型望远镜）的部件示意图。
将光标悬停在各个标签上，可以看到每个部件的弹出式图解。


[li]接收器——一个抛物面反射镜（桶状），用来收集无线电波，并将它们汇聚在一个焦点上（类似于反射式望远镜中的反射镜）。图中的望远镜采用了卡塞格伦式设计，它用副反射镜（类似于反射式望远镜中的副反射镜）和号角形馈电器将无线电波汇聚在接受器后的一个焦点上。
[/li][li]天线——位于射电望远镜焦点处的金属装置（通常是直线型或线圈型的金属线）。如果将它调整到适当的频率，它会将无线电波转化为电流，原因是无线电波会使天线中的电子产生运动。

[size=+1]噪音[size=-1]射电望远镜中的电子设备（天线、调谐器、放大器）往往是用液氮或液氦冷却的，目的是降低随机电流或噪音。噪音越低，越容易探测到微弱的信号。

[/li][li]调谐器——这种电子装置用来从天线收集的几千种信号中分离出单个无线电信号。调谐器调整天线的频率，使之与收到的无线电波中的某个特定频率相符。SETI使用的多频道分析器可以同时对多个频率进行调谐。
[/li][li]放大器——这种电子装置用来提高某个传入的无线电信号所产生的弱电流的强度。
[/li][li]数据记录器——磁带或数字装置，用来存储来自放大器的信号。
[/li][li]辅助数据设备——对数据磁带上的信息进行编码的附加装置，用于干涉测量法（见下图）。这些设备中包括用来记录射电望远镜位置的GPS接收器和用于精确标记时间的装置。
[/li][li]计算机——计算机的用途是获取和分析数据，并控制望远镜的移动。
[/li][li]机械系统——水平和垂直轴上的齿轮和马达用来为接收器指示方向并追踪其动作。 [/li]

[size=-1]干涉测量法将几台射电望远镜提供的若干图像组合成一张图像，看起来就像是由一台大型接收器拍摄的。


通常，大型射电望远镜能使您探测到微弱的信号并对其进行解析，因此，接收器越大，信号的解析度越高。不过，大型接收器的制造和维护不但难度大，而且价格昂贵。为了解决这一问题，射电天文学家使用了一种称为干涉测量法的技术。干涉测量法将分布在一个较大区域的几台小型射电望远镜所提供的信号组合起来，这与在同一区域内使用一台大型接收器是等效的（请查看下一页上的链接，了解有关干涉测量法的详细信息）。

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