金星上检测到生命迹象？寻找外星人方法大盘点
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本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：乘凉，原文标题：《我们还要多久，才能找到智慧生命？》，题图来自：电影《超时空接触》
和人们狂热探寻生命存在的火星不同，距离我们更近的金星，由于遍地都是活跃的火山、硫酸雨，以及充斥着二氧化碳的致命大气，这种恶劣的环境很难让人相信有生命能在此存活。可是在最近的金星探测中，我们居然发现了生命存在的标记物：磷化氢。
在我们的科学认知里，因为金星上没有人类的工业活动，所以不可能产生高浓度的磷化氢，那么原因很可能归咎于厌氧生物的新陈代谢。也就是说，金星上很可能存在生命！
研究人员在金星上发现了磷化氢分子信号，估算出金星云层中每10亿个分子约有20个磷化氢分子，是地球大气中浓度的1000-100万倍（图源: ESO/M. Kornmesser/L. Calçada and NASA/JPL/Caltech）
如果这不是数据处理过程中的乌龙，而是真实存在的事实。那么新南威尔士大学光谱学家McKemmish的评论就非常的贴切了：这项研究标志着寻找外星生命的新时代开端。
这听起来让人难以置信。我们在火星上找了那么久生命的迹象，前后有三十多个探测器造访过火星，可谓是付出了大代价，可至今仍未能拨云去雾。而此次对金星的探测却未疲劳奔命，仅仅是用地面的望远镜就探测到其大气上存在的生命特征信号。虽然秉持着科学的严谨性，这一信号还需要其他望远镜观测结果的证实，但这一重磅发现已经非常了不起。
不过，有外星生命不等于有智慧生命，这离我们所想象的外星智慧文明也相差甚远。探讨拥有智慧文明的外星人一直是大家喜闻乐见的话题。有人期待外星人是充当地球文明拯救者的“降临派”、也有人担心外星人是侵略地球的一派......这里我们撇开各自不同的观点，仅仅关注一个问题，那就是有没有外星文明？如果有那该怎么找？（为了表述方便，下文的外星人、外星生命等词语都表示科技水平达到或超过人类水平的智慧生物）
存在外星文明吗？
——德雷克公式告诉你答案
1961年，在一次寻找智能地外生命的科学会议上，著名的科学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）提出了大名鼎鼎的描述宇宙外星文明数量的德雷克公式。公式里估算了我们宇宙中可能存在的智慧生命个数。虽然没有明确的物理含义，只是一系列参数的相乘，但是却给我们寻找外星文明提供到了新的思路。
Drake 方程（图片摘自微信公众号：原理）
由于我们对宇宙知之甚少，唯一确定的是地球有生命。所以在可供参考的样本只有一个的情况下，我们对公式里涉及生命和智能文明的几个参数可以说是全靠瞎猜。公式里每个参数的估值都有大小之分，反映的最终结果也是千差万别。一些悲观派认为，整个宇宙中只有1 %的星系可以孕育文明；而乐观派则认为银河系拥有的外星文明就有14 万之多，这让我们平日里看到的银河顿时变得喧闹不堪。
虽然德雷克方程并不能准确的告诉我们宇宙中有几个外星文明，但是不管是乐观还是悲观的估计，我们都相信：宇宙中存在智慧生命。然而事实却不由得让人唏嘘：到目前为止，我们没有发现任意一个的存在。难不成，除了太阳系的这个小蓝点，放眼望去全是沉寂和虚空？
对于这一窘境的解释有怀疑外星人不存在的费米悖论，也有诸如我们是被外星人实验观察的对象，亦或者嫌我们科技水平太低不愿和我们交流......这里没有正确答案。不过于笔者而言，我从感性上偏向于外星智慧文明是存在的。要不然，诺大的宇宙仅仅诞生地球一个文明不是很浪费地方吗？
电影《超时空接触》台词（英文原名《contact》（图片截取自该电影）
盘点发现外星人的方法
如果笃定外星文明存在，那我们该怎么找到它呢？大体有以下三种思路。
第一种：走出去。最直接的方式是派飞船去搜寻，如果我们发射一个星际飞船去造访某个星球，那么该星球上是否存在智慧外星生命就变得显而易见。可惜这种方法在科技和经济上都是一个难题。本以为上世纪六十年代就实现载人登月的我们，能够在上世纪末载人登陆火星甚至走出太阳系，然而我们现在重返月球都是一个问题，更不用说那遥远的星际飞行了。所以第一种方法并不可行。
星际飞行畅想图（图源：scienceabc)
第二种：“喊”出来。虽然我们的足迹被局限在地球上，但只要我们“嗓门大”，朝空旷的太空“喊”一嗓子，如果被外星生命监听到，很大概率上会得到回应。这种“喊话”的方法是向太空的某一部分采用超高功率的发射机发送携带我们问候信息的电磁波。
例如，1974年，阿雷西博（Arecibo）望远镜就曾向武仙座的球状星团M13发送了一串无线电信息，不过至今还没得到回复。可惜的是，我们尚未拥有能实现星际通讯的大功率信号发射机，现有的信号到太阳系边缘就可能和白噪声没多大区别了，当然也不排除有智慧文明可以识别出来。
或许很多人幻想着像科幻小说《三体》里描述的那样，利用太阳作为中继放大器，在宇宙中广播我们的坐标来获得外星人的回复。但小说毕竟只是小说，这种设想目前在理论上是不可行的。同时，由于我们对外星文明并不了解，做这样的事具有很大风险。有不少科学家对我们向太空盲目发射信号持有顾虑，总之，想实施第二套方案也并非易事。
跳票的《三体》电影海报，背景是向三体文明发送讯息的红岸基地（图源：《三体》电影海报）
第三种，守株待兔式地聆听。在前两种方式几乎都不可行的前提下，我们只能寄希望于在地球上收听到来自外星球的电磁波信号。排除那些暂时未发展到电气水平的星球，以及那些保持沉默的星球（可能电磁环境的宁静标志着它们技术水平的先进），我们也许能碰到拥有星际信号发射能力并愿意联系其他外星文明的智慧生命给我们发来的信号。
这些信号或许是无差别广播的，或者是专门对我们投放的，但无论是哪种形式都会让我们知道宇宙还存在其他外星文明。这种方法虽然看起来比较蠢，没有主动性，却是我们现在最有效，也看似对人类文明最安全的方法。
监听来自外星文明的信号（图源：电影《超时空接触》剧照）
“守株待兔”也是一门需要钱的技术活
监听外星信号主要是用地面的射电望远镜或者射电望远镜阵列去搜寻可疑的天体目标，来确认是否收到了智慧信号。早在上世纪60 年代，就诞生了一个专门搜寻地外智慧文明的项目：SETI（searches for extraterrestrial intelligence）。项目的初衷是联合世界各大射电望远镜，腾出一部分时间来接收可疑目标传来的电磁波信号。这些信号可能来自于任意一个地方，研究人员要尝试从平淡的白噪声中挖掘是否有智慧信息的存在。诸多望远镜纷纷划分了一定的时间参与到了这一项目中，我国的五百米大口径天眼（FAST）也加入其中。
专门用于执行SETI计划的艾伦射电阵（Allen Telescope Array ），每面天线造价高达20万美元（图源：nsf.gov）
六十年过去了，除了听不完的白噪声，最大的收获是来自宇宙的那一声“WOW”，可惜这一信号并没有得到重复，是真是假也无处考证。借此，学术界里有很多学者对SETI持批评的态度，认为六十年里我们浪费了大量的观测时间和资金作用在这个看不到曙光的项目上。如果把这部分观测时间花在对天体的研究上，说不定今天天体物理的发展可以再向前迈进一步。
1977年接收到的疑似外星文明发来的“WOW”（图源：wikipedia.org）
不过这种指责显然存在偏见。首先除了SETI项目组自有的ATA（艾伦射电望远镜阵列）专门用来搜寻外星人外，其他望远镜花在这方面的时间比例几乎是凤毛麟角。而ATA阵列本身也是经费不足的产物，直至2007年才落成，先前预想的350面天线只建成了42面。而且项目的运营需要组织或机构买单，少有经费支持的ATA一度在2011年濒临终止。
所以事实并非我们所预想的那样，只要有望远镜，接下来的一切就顺其自然那么简单。“守株待兔”的聆听也没有想象的那么容易，不仅需要技术还需要一点点“钞”能力。毕竟人员工资需要钱，设备维护需要钱，投入观测时间也需要钱，服务器也要钱......
在宇宙之海里“捞”信号
那除了钱呢？还有什么科学上的限制吗？当然有！要知道太空中的射电信号非常普遍。这些信号的来源有远有近，信号强度有强有弱，并且如同我们在收音机可以收听不同的频道一样，太空的射电信号也有着千百万的子频道。要在广阔的宇宙空间里，搜索未知来源、未知强度、未知波段的信号，其难度无异于大海捞针，只不过大海变成了无垠的太空。
整个电磁波家族，左端是我们SETI关注的射电和微波波段（图源：wikiversity.org）
假如我们非要询问一番：这片要寻觅的宇宙之海有多大？那么在SETI项目里似乎可以找到答案。虽然SETI项目寻找外星人的方法有点像愚公移山，但毕竟它也是科学项目，其中肯定有科学性的一面。那就让我们来客观的评估一下这一片宇宙汪洋有多大，以及我们从中打捞了何等比例的水。
要想客观评估我们的搜索进度，首先需要将搜索过程的指标参数化。类似要在湖底打捞一把剑，那么湖的面积就是我们搜索中的参数。在不知道剑在哪个区域掉落的前提下，我们只能逐片搜索，只要区域搜索完毕，肯定能找到剑。搜索外星人也是同样的道理，只不过这里不单单是宇宙空间大小那么简单，还会涉及到很多技术参数。假设外星人存在，那么在所有参数限定下的体积下搜索的空间越大，就越有期望找到。
最早给SETI计划进行参数化评估的，要追溯到1981年，名为Wolfe的学者提出可以用包含空间维度，即通过观测频率带宽、观测灵敏度等参数来衡量我们的搜索“体积”，让我们的搜索工作从刻板映像中的三维空间搜索，升级到了更高的n维空间（虽然这种升级让人觉得有点沮丧……）
随后几十年里，随着射电技术的发展，不同的学者也给出了相对应的参数搜索空间。在2018年末，Json等人提出关于SETI搜寻的8维参数空间，这里仅仅列出这8个维度供大家参考：
1. 望远镜观测的灵敏度
2. 传输的中心频率
3~5. 距离和位置（指代的三维空间）
6. 传输的带宽
7. 对目标源的观测时间
8. 信号的偏振
9. 信号的调制
（注：第9个不是严格意义的独立参数，而是一个囊括前面所有参数的综合参数，所以整体还是8维参数空间）
通过计算得知，整个8 维的宇宙海洋体积为6.4×10116 m5Hz2sW-1,这一数字确实很大，不过单拿出来貌似没有什么意义。我们不妨计算一下不同SETI观测计划相对这片8维空间所占的比例：
不同观测项目使用的望远镜情况，以及它们搜索的体积占总的8维参数空间的比例，注释：这些观测项目部分是论文里提到的，也有些源自于子项目。（数据摘录于参考文献 [3] ）
值得注意的是，表格最右侧数据的数量级几乎都处于10~19附近，如果我们把这些数值全部加起来，占比分数则达到了6.0×10-18。这一比例意味着什么呢？整个地球海水的体积约为1.335×1021 L，而我们打捞的体积则有 8,000 L，接近水立方泳池全都蓄满水的量。这样看来，把SETI项目比喻大海捞针也不为过。
最近，澳大利亚射电阵列MWA展示了他们新的SETI观测结果。这次的观测时长为17 小时，目标是船帆座地区。虽然呈现的结果在意料之中：没有探测到任何智慧信号的迹象，所有的讯息都来自于已知的天体物理现象。不过好消息是，按照刚刚介绍的8维空间，此次探测体积所占的比例达到了2×10-16，是有史以来得到的最大值，比上面表格里的都普遍高了100多倍。这提醒我们，SETI项目急不得，还有很长的路要走。
8维参数空间使得SETI计划的执行更加的参数化，让我们更直观的了解到寻找智慧文明的进程。不过要注意的是，这一参数空间并不是唯一的，也存在与之类似的参数衡量方法，但结论都是类似的，那就是现有的进展都是沧海一粟。
读到这里你可能会问：一定要把参数空间的每一个角落都找遍才能发现外星人吗？
答案是不一定。我们能希冀的是在8维空间里，不单单只有一串外星信号。根据前面德雷克方程的推算，外星生命越多，我们越有希望在小的搜索空间里找到他们。况且，这一空间只是说明我们搜索空间的完备性，至于已经搜索的参数空间存不存在智慧讯息，还需要动用大量的计算资源来验证。
结语
搜索外星人是一件很酷却又很玄的事情。因为一切对外星文明的猜测都源自于我们人类自己的知识体系，所以从0到1的过程也是最难的。如果硬要强调我们对外星人的了解，那就是我们对外星人一无所知。
目前，外星搜索计划的经费虽然捉襟见肘，但好在没有停顿。前几个月我国FAST的正式加入，对SETI计划来说无疑是个好消息，它极为优秀的灵敏度也被媒体认为是最有希望找到外星文明的望远镜。看似一切都在慢慢地推进中。
所以，到底还要多久才能发现外星人呢？
铺垫了这么多，你觉得呢？
参考文献:
[1] Drake, F. D. 1965, in Current Aspects of Exobiology, ed. G. Mamikunian &M. H. Briggs (Oxford: Pergamon), 323
[2] Tremblay, C. D., & Tingay, S. J. (2020). A SETI Survey of the Vela Region using the Murchison Widefield Array: Orders of Magnitude Expansion in Search Space.
[3] Wright, J. T., Kanodia, S., & Lubar, E. (2018). How Much SETI Has Been Done? Finding Needles in the n -dimensional Cosmic Haystack . The Astronomical Journal, 156(6), 260.
[4] Wolfe, J. H., Billingham, J., Edelson, R. E., et al. 1981, in Proc. Life in the Universe, NASA Conf. Publication 2156, ed. J. Billingham (Cambridge, MA: MIT Press), 391
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