SETI:无线电波的搜索

作者:Ron Hipschman 翻译:song3286(来源:SETI@China

     SETI(The Search for Extraterrestrial Intelligence),地外文明的搜索是一项庞大的任务。我们应该从哪里开始,有应该如何做呢?在众多可以想到的方法中,我们必须要找到一种有效的方法。

外星人会耗费以现在的成本计算的3*10^16美元的能量来访问地球,并且直至少数几个人吗?那似乎不太可能。以无线电信号的形式接触才是更经济合理的。左边的照片就是一张UFO的伪造照片。      首先,我们的外星朋友应该可以乘坐太空船旅行并访问地球,这也许是一种非常重要的交流的方式——面对面的交流。但是,无论是所谓的罗斯韦尔事件还是外星人的绑架事件,或者UFO的目击事件,都没有科学的证据表明外星人曾经访问过地球,一个也没有。星际之间的旅行需要 花费如此大量的能量和时间,以至于一个比较“经济的”方法就是托管。只要做一些简单的计算,我们就可以证明,即使有人发明了装备有最高效性能的发动机的飞船(“星际迷航”的爱好者们都开心的想到那一定涉及到了物质和反物质),花上20年的时间,对离我们最近恒星,半人马座阿尔法星,做一次往返的旅行所消耗的能量,可以供给一百万个家庭使用三千万年!而且那还只能搭乘很少的几名乘客。那不是一个经济有效的交流方式,因为那样会消耗大量的能量,以现在的成本来计算,那将花费超过3*10^16美元!你能够想象,任何一个外星政府会花费如此巨大的资源只派遣几个他们的成员做一次友好的访问吗?当然,他们可以发射成千上万的或者上百万个小型的探测器,用来表明他们的存在同时探测器也可以报告它们发现,但是这样还是会花费大量的时间和能量。尽管我们想相信那些空间弯曲,多维空间移动,或者其他从科幻小说中得到的奇妙想法,但是那些正如所被描述的那样,是科幻小说,是虚构的。

     如果你只是想和居住在遥远地区或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?可能不会。你只需要简单的拿起话筒打一个电话,或者你可以发一个邮件,又或者如果你有合适的设备的话,你甚至可以使用可视电话。所有的这些方法都要比乘坐飞机旅行经济有效而且是实时的。同样的,任何发达的文明都可能会采用最经济有效的方法进行沟通。

     我们所知道的最好的方法是利用无线电波进行交流。通过无线电波发送信息是很便宜的,所使用的设备也是很容易建造的,而且无线电波也具有承载信息足够的带宽。这些信息也是以宇宙中最快的速度进行传送,那就是光的速度。太空飞船是无法达到这个速度的。而且,如果你使用无线电发送信息的话,你可以同时与不同方向上的许多不同的文明进行交流,而宇宙飞船是根本无法做到的!看看所有的我们使用无线电波的例子: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,还有更多。在地球上,我们已经决定了最经济有效的方法。

     那么如果我们打算搜索外星人试图与我们接触的无线电信号的话,我们还有一些其他的问题。当打开收音机的时候,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,这里有些特殊的现象需要研究,也许它可以是“调谐”简单一些,至少可以帮助我们在宽大的电磁波频谱中找到一个比较合理的相对窄小的区域开始进行研究。

     如果你将你的射电望远镜指向天空,就会发现各种各样的信号。有一些是来自银河系自身,也有一些来自我们的大气层。如果将这些不可避免噪声做成图表的话,你会注意到在低频部分的噪声很多,那时来自银河系的。同样由于大气层噪声,在高频部分也是很嘈杂的。在这两个嘈 杂的区域之间你会发现一个相对平静区域——从大约1G赫兹到大约10G赫兹。(1G赫兹是10亿赫兹或者说每秒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谱上面的部分。)

相干噪声(红色的部分)是由低频的银河噪声与高频的大气层噪声组成的。“水洞”(蓝色的部分)是指在氢(H)和氢氧基(OH)离子频率之间的部分。在“水洞”附近几乎没有噪声。      自然界提供了很好的方法来定义我们的频谱。宇宙中最简单的元素,在星际空间中存在着的中性氢气(H),在1.42G赫兹的频率上发出无线电信号。宇宙中的另一种分子,氢氧基 (OH),散发的频率是1.64G赫兹。如果我们注意观察,氢(H)和氢氧基(OH),组合在一起就构成了水(HOH,通常为H2O)。正如我们所知,生命需要水彩能够生存和发展。在这两种频段之间的频带,也就是从1.42到1.64G赫兹之间相对平静的频谱也因此被称为“水洞 (The water hole)”。那么你希望和基于水的智慧文明在那里相遇呢?当然是在“水洞”里 面!这将是一个比较好的,而且比较有限的频带来开始我们现在的搜索。我们当然能够在以后的日子里扩展我们搜索的范围。

     一个重要的因素是,信号越窄(即频率越准确),就更有利于我们的朋友来发送。对我们来说,窄带的信号也比较容易从普通噪声中识别出来。不过,对于比较窄的信号频率,也就意味着我们不得不从数以百万计的窄带信号寻找正确的那个。后面我们会继续讨论。

     我们想要收到什么样的信号呢?我们应该寻找什么样的信号呢?这里有两种可能性。一是其他 文明有意地发送一个信号用来引起我们的注意,或者,向我们一样,他们只是在做他们自己的事情,有些他们的无线信号“溜了出来”。地球就是这样无意间发射许多无线信号。我们的广播和电视的发射机有很强的功率,军用雷达的功率更强。我们发现这样的信号已经50年了,也就是说,我们的信号已经在发送到50光年以外的地方了。但是我们在科技上还是婴儿。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将会受到一些直接发送给我们的信息。

我们用什么来搜索?


     当信号从信号源传播出来以后,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)。收集足够多这样的信号,我们需要一个巨人的耳朵。对我们而言,那意味着我们需要使用一个巨型射电望远镜。

     世界上最大的射电望远镜,并用于伯克利(Berkeley)进行SETI搜索的是阿雷西博射电望远镜 (Arecibo Radio Telescope)。它位于波多黎各的西南部的阿雷西博附近。望远镜是被建造在喀斯特地形(Karst terrain)凹地里的直径为305米(1000英尺)的一个碟形天线。你可以想象一下它有多大,大约需要100亿只普通的碗所盛的谷子才能将它填平。还是很难想象吗?这个碟 形天线的表面超过20英亩,具有18英亩或者说18个足球场那么大的光圈。碟形天线可以反射并将天空中微弱的信号集中在悬在正上方450英尺的接受天线上。由于碟形天线是固定的无法 转动,所以接受天线被装在一条弓形的轨道上,这样它们可以“观察”在他们顶点(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,可以让接收天线跟随由于地球本身的自转而掠过天线上空的目标。这两种方式的移动可以使射电望远镜有能力扫描更多的一部分天空。

“格利高里焦距(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“格利高里焦距 (Gregorian focus)”。“格利高里”是阿雷西博天文台新增的设备。在园顶里面有两个无线电反射器,它们能够更准确的将无线信号集中在监测器上。虽然圆顶在照片上看着很小,而实际上他的直径有85英尺!

调谐你的“耳朵”


     在1420M赫兹附近的频率是非常值得观察的,因为这个频率很接近“水洞”。同时也因为这个频率在射电天文上是很重要的频带,根据国际上的协议,任何人不可以在1420MHz到1427MHz的频带上制造任何无线信号的播放。正是由于这个禁令,这个频段是特别平静的频段。让我们进一步看一看这意味着什么。

     我们要搜索什么呢?正如前面提到的,对外星生命来说,最有效的能够引起别人注意的方式是将所有无线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“博大的”,只能观察宽带信号,那么窄带信号将会淹没在它周围的无用的信号里,即使窄带信号非常强。

     想象一下,一个大声吹口哨的人站在以大群拥挤而有嘈杂的人群中。口哨声有一个特定的频率或音调。如果你用你的耳朵来听,人群发出的噪音会掩盖了口哨声,因为耳朵识别的是比较宽范围内的音调。那么另一方面,如果你的耳朵可以调谐到只能听到口哨的音调又会怎么样呢?你不会听到很多人群的噪音,因为大部分人群的噪音不会出现在你所“调谐”的音调上。但是口哨的声音比较大而且很清楚。用同样的方式,SETI@Home要搜索许多经过精确调谐的频道(频率)上的信号,这些信号都是明显的“比噪声强”。有了你的帮助,SETI@Home可以做更详细的,经过更细微调谐的搜索。你的计算机将会“听到”只有0.07Hz带宽的太空信号。

     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”,作为相互之间的通知和对世界公开一个新的发现的依据。首先,发现者必须用各种可能的尝试来核实所发现的信号确实是地外文明的信号。 然后,发现者可以通知在这个领域里面的其他人,以获得对这个发现的独立的验证。如果通过了这样的试验,发现者可以将这个信息提供给更多的科学团体,联合国秘书长和公众。所有收集到的数据都将对科学团体公开以进行进一步的分析。正如你见到的,由于在一些极端的科学团体里存在着“阴谋理论”,所以不可以有任何隐藏数据的企图,必须将它们向公众公开。

     如果有一点儿运气的话,我们也许能够在有生之年知道,在银河系里面我们是否是孤独的。我希望我们能够发现很多的朋友。