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你为什么寻找外星人？你们还有多少红岸基地？
The following article is from 知识分子 Author 郑晓晨
比邻星b与其所属的三星系统想象图
图/ESO/M. Kornmesser
比邻星是距离太阳系最近的恒星，也是《流浪地球》中携带全人类逃离太阳系的“小破球”流浪2500年后的归宿。有趣的是，比邻星还有个别名——半人马座α星 C，是半人马座三星系统的成员，也是《三体》中让人类畏惧的三体文明的发源地。想象一下，当《三体》与《流浪地球》的故事时空重叠，摩拳擦掌、准备大举入侵地球的三体人，却与急速流浪的地球擦肩而过，眼睁睁看着“小破球”直奔他们的母星而去，三体人面面相觑间，大概“唯有泪千行”吧。
撰文 | 郑晓晨
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1979年秋，在某个太阳初升的清晨，红岸工程的参与者叶文洁，按下了大兴安岭雷达峰基地的那颗红色按钮，向半人马座α星的三体文明发送了地球的位置信息。自此，人类开始了与宇宙高阶文明抗争的辛酸史——
这是著名科幻小说《三体》中令人唏嘘不已的地球往事，却也能藉此一窥人类在探索地外文明过程中的某些心路历程。
那么，人类为什么要去寻找地外文明？
与之密切相关的，是另一个横亘古今的难题——人类是不是宇宙中唯一的智慧生命？
当我们意识到，自己赖以生存的地球并非太阳系的中心，而带来光明的主星太阳，也并非宇宙的中心，这使我们不得不承认，自己或许并没有那么特殊，人类文明没有理由是宇宙中唯一的文明。
或许是为了消解身处寂寥宇宙的孤独感，又或者抱着如《三体》中的“叶文洁们”所秉持的信念——借助一个更高阶的文明解决人类的困局。总之，人类渴望，也选择在茫茫宇宙间，寻找另一个文明的痕迹。
20世纪50年代，诺贝尔奖得主、著名物理学家恩利克·费米（1901—1954）先生曾提出过一个振聋发聩的问题：
Where are They（他们在哪儿）？
01
被动等待：
红岸 or 绿岸
搜寻信息的望远镜
很长一段时间以来，人类对地外文明的好奇心，对人类文明的唯一性的探讨，似乎都集中在哲学等领域，属于浅尝辄止的小众话题。
直到20世纪初，无线电问世。相较于其他波段的电磁波，比如可见光和红外线，无线电波有望在受干扰的情况下，跨越星际间的距离，传递光年之外的讯息。自此，地外文明搜寻终于迎来了科学的曙光。
1960年，美国射电天文学家弗兰克·德雷克（1930—2022），首次在位于美国西弗吉尼亚州绿岸小镇的美国国家射电天文台，利用一台26米口径的射电望远镜，监听了两颗临近恒星——天仓五和天苑四的无线电信号，开创了搜寻地外文明（Search for Extra Terrestrial Intelligence，简写为SETI，利用射电望远镜等设备，探测、接收来自外太空的电磁波，以期从中发现来自外星文明的信息或技术痕迹）计划的先河。
德雷克甚至还估算了银河系中地外文明的数目，即著名的德雷克方程（又被称为“绿岸公式”）。
德雷克方程考虑了人类能够成功搜寻地外文明的几个大前提，却并不能很好地量化外星文明的数量——毕竟公式中的很多参数，尤其是涉及生命诞生与进化的概率、文明存续的时间的参数，我们尚且一无所知。不过，这并不妨碍我们畅想宇宙中能够孕育生命的星球普遍存在，毕竟仅银河系内，就大约有百亿颗（预估量级）恒星。
费米先生也曾推测，银河系内有将近百万个文明。要知道，整个宇宙中可观测的星系数目同样高达百亿量级。
一面是存在大量高等文明的强可能性，另一面却是人类长期一无所获的观测现实——这也是费米悖论的由来。
所以，Where are they！？
不得不说，人类的好奇心，往往是支撑科学探索的最初也是最强驱动力。SETI计划后续又开展了多轮尝试。
比如，1995—2004年，该工程综合利用当时世界上主要的大型射电望远镜，包括位于澳大利亚的帕克斯64米口径射电望远镜（世界上最古老的射电望远镜之一，建于1963年，参与过著名的阿波罗计划）、位于美国绿岸国家射电天文台的42.7米口径射电望远镜，以及位于波多黎各岛的305米口径阿雷西博望远镜（中国天眼FAST问世前，世界上最大的单口径射电望远镜，因钢缆断裂，于2020年12月坍塌），花费近10年时间，在1.2~3千兆赫频段范围内，针对近邻（约）200光年内的800多颗类太阳恒星，进行了窄带观测。
2015年，科技界亿万富豪尤里·米尔纳发起了史上最大的SETI项目——“突破倾听”项目（The Breakthrough Listen project），旨在扫描宇宙中地外文明存在的迹象。该项目计划在10年内，利用直径100米的美国绿岸望远镜（Robert C. Byrd Green Bank Telescope，简写为GBT，目前世界上最大的可动射电望远镜）等国际大型观测设备，监听银河系以及100个近邻星系中的100万颗恒星，等待外星“来电”。
虽然，目前依然没有检测到任何外源性信号，不过在过去几十年间，地外文明探索显然已经与射电天文学观测紧密捆绑。
除了静待外星文明的信息外，人类也曾多次尝试向外太空喊话。
比如，20世纪60年代，苏联利用无线电发射器向金星发送了摩尔斯电码；70年代，NASA（美国航空航天局）向太阳系边缘发射了携带镀金铝板、金属唱片等地球信息的先驱者10号、11号和旅行者1号、2号共4颗探测器。
到了1974年，德雷克和著名天文学家、天体物理学家卡尔·萨根（1934—1996）甚至提议向M13（即武仙座星系团，一个距离地球2.5万光年的球状星团）发射一组包含数字、人类DNA、太阳系天体、阿雷西博望远镜图案等信息的编码，即为阿雷西博信息。
不过，这些地球信息大概2.5万年后才能抵达目的地M13，即使M13中孕育了智慧生命，乐观估计，等人类收到其回复，也是5万年之后的事情了。
02
另辟蹊径：
寻找宜居星球
无论是监听还是喊话，人类对地外生命的大（zuo）胆（si）探索一直没有取得关键性进展，直到1995年，两位瑞士天文学家首次在一颗类太阳恒星周围，探测到了一颗太阳系外的行星，自此拉开了系外行星探测的序幕，也为地外文明的搜寻工作提供了一个全新的思路。
一直以来，我们未能收到来自其他文明的反馈，或许受限于信号传递效率与宇宙的深度和广度之间的矛盾，而系外行星探测，可以化被动等待为主动出击——在茫茫宇宙间，搜寻太阳系外的宜居行星，探访地外文明的可能发源地。
2009年，NASA的开普勒空间望远镜升空，开启了探索系外行星的新纪元。随着开普勒望远镜的巨大成功，系外行星探测如火如荼地开展起来，各类行星探测手段和关键技术日趋成熟。
目前，探测系外行星的主要方法是凌星法，即通过行星遮挡引发的恒星光度的周期性变化，来确定行星的大小和公转周期。这是目前最有效的系外行星探测手段，发现了约70%的已知行星。
凌星法之外，系外行星的探测手段还包括：视向速度法、微引力透镜法、直接成像法、天体测量法、脉冲星计时法等。
短短20多年，在银河系内，人类已经探知超过5000颗系外行星。这些行星各具特色，又可细分为热木星、温木星、冷木星、温海王星、超级地球、类地行星等类别，不过，大都与太阳系内的行星迥异。
在这些已探知的系外行星中，有近60颗行星恰好位于其主星的宜居带内。
所谓宜居带，指的是恒星附近，适合生命存续的行星轨道范围。处于宜居带内的行星，其表面的平均温度应在能保存液态水的范围内，就如同地球的轨道位于金星与火星之间，恰好幸运地落在太阳系的宜居带内，不太冷也不太热，才为地球生命和人类文明的诞生提供可能。
这些宜居行星的候选体，甫一公布，就点燃了公众对地外文明的热情与想象。比如2016年，天文学家在距离我们4.2光年的比邻星周围，发现了一颗与地球类似的宜居行星——比邻星b，上面可能有水、有生命，当时引起了极大的轰动。
要知道，比邻星是距离太阳系最近的恒星，也是《流浪地球》中携带全人类逃离太阳系的“小破球”流浪2500年后的归宿。有趣的是，比邻星还有个别名——半人马座α星 C，是半人马座三星系统的成员，也是《三体》中让人类畏惧的三体文明的发源地。想象一下，当《三体》与《流浪地球》的故事时空重叠，摩拳擦掌准备大举入侵地球的三体人，却与地球擦肩而过。眼睁睁看着“小破球”直奔他们的母星而去，三体人面面相觑间，大概“唯有泪千行”吧。
2017年，比利时天文学家在红矮星Trappist-1附近，发现了7颗行星，其中有3颗都处在宜居带上，令人备受鼓舞。
不过，目前人类已知的这些宜居行星候选体，与能孕育外星生命的地外文明摇篮相去甚远——
有些候选体个头太大（超级地球），往往因为引力原因遍布火山岩浆，行星表层还包裹着一层厚重的富氢大气，相当不利于生命的诞生与演化；
有些候选体与地球质量相当，却大多围绕着一颗小质量的红矮星。比如前述赫赫有名的比邻星，就是一颗只有太阳质量的12%的红矮星。红矮星的宜居带非常接近主星，以比邻星b为例，其公转周期仅为11天。换言之，红矮星附近的宜居行星，往往会感受到强烈的潮汐作用，甚至与主星间产生潮汐锁定，类似于地月系统。陷入潮汐锁定的行星，其内部活动和大气环流都将受到严重影响，行星环境将与地球截然不同。而且，更为致命的是，红矮星比太阳活跃10~1000倍，大都有较强的耀斑活动，可电离乃至剥离行星大气，破坏行星的宜居性。
03
光年之外的文明：
路在何方？
基于对地球上生命诞生与演化的思考，那些环绕在相对安静的类太阳恒星周围、处于宜居带，与地球大小、质量相当的类地行星，才最有可能成为孕育出（与人类文明类似的）地外文明的摇篮，也最有可能成为人类在太阳系之外的第二家园。
寻找这些宇宙间的新家园，我们需要基于行星的轨道周期、半径、质量、大气成分这4个维度，重点挑选候选者。
作为开普勒空间望远镜的继任者，2018年NASA发射升空的TESS望远镜（Transiting Exoplanet Survey Satellite，简写为TESS，即凌星系外行星巡天卫星）将肩负重任。
与前辈开普勒空间望远镜连续多年定点监测不同，TESS望远镜将开启全天的巡天模式，对距离地球300光年范围内的明亮恒星周围的行星“人口”，进行大规模普查，有望挑选出几十颗与地球（质量、大小）相当的类地行星。
由中国遴选出的候选空间发射任务中，地球2.0空间巡天（简称ET）项目也将采用凌星法扫描银河系内的类地行星。有望通过4年的巡天，观测约3万颗系外行星，包括约5000颗类地行星，并从中筛选出10~20颗真正的宜居行星。
另外，ET卫星还将首创性地加载1台微引力透镜望远镜，利用微引力透镜引发的光增强特性，探测那些远离主星的冷行星，乃至那些已被主星抛弃、孑然一身的流浪行星（包括流浪地球）。
不过，通过空间凌星观测挑选的宜居行星，还需要通过地面大型望远镜（如30米望远镜TMT）的高精度后随观测和光谱证认，并确定该行星的质量。这就要提到系外行星探测的另一把利剑——视向速度法。
视向速度法可以测量由于行星扰动产生的恒星光谱频移，划定行星候选体的最低质量，再结合凌星法提供的大小信息，即可预估行星候选体的密度区间，进而推断该候选体的内外结构，以确定其宜居性。
此外，通过地面和空间大型望远镜测量凌星时的透射光谱，还可以进一步获取行星的大气成分，寻找生命的痕迹。
2021年底升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜就是其中的佼佼者。作为目前世界上最大的空间红外望远镜（6.5米口径），韦伯望远镜以其超强的图像分辨能力、超深的视场、超精光谱解析能力傲视群雄。
2022年，韦伯望远镜牛刀小试，向世界展示了一颗名为HIP 65426b的系外行星的直接图像，未来必将极大助力宜居行星的筛选。
另一个具有独特原创性的技术路线来自中国，是近邻宜居行星巡天计划（Closeby Habitable Exoplanet Survey，简写为CHES）。CHES方案另辟蹊径，计划采用天体测量的方法，以微角秒量级的观测精度，搜寻太阳系附近32光年范围内100颗类太阳恒星附近的宜居行星。
天体测量法即测量行星导致的恒星位置偏移，需要极高的观测精度，却可直接测量出行星的质量，获取行星的全部动力学参数，构建三维轨道信息。
在这场宜居行星的搜寻盛宴中，参与者众多——
ESA（欧洲空间局）有”行星猎手“之称的系外行星特征探测卫星（即CHEOPS）专研行星参数；
ESA即将发射的“柏拉图”任务（即PLATO任务），将专注于类太阳恒星周围宜居行星的形成条件；
中国计划于2030年左右实施的“觅音计划”，拟将通过空间分布式望远镜，以直接成像手段，认证太阳系近邻宜居行星，并评估其宜居性，等等。
各类探测方法百家争鸣、百花齐放，彼此补充，互相配合，一起为寻找光年之外的文明家园添砖加瓦。
目前世界上最大的单口径射电望远镜——中国天眼FAST（500米口径球面射电望远镜），自然不会缺席这场狂欢。自2020年1月正式开放运行后，FAST的科学目标之一，即包含地外文明的搜寻。
04
寻访外星人：
是和平会晤，还是黑暗森林
对地外文明的好奇心，会“害死猫”吗？
相较于“寻找人类避难所”的出发点，当下，无论是寻找另一个宜居星球，还是探访地外文明的踪迹，人类的宇宙探索更多是出于对人类本源的好奇，对自身唯一性的追根究底。不过，不确定性如影随形。早在2010年，著名物理学家霍金（1942—2018）就曾表达过他的担忧。他认为，与其试图在宇宙中寻找地外生命并与之交流，人类最好竭尽所能避免任何可能的接触，颇有点“黑暗森林”理论的意思。正如同《三体》中人类文明的挣扎与覆灭，恰恰源于人类自己按下了那颗红色按钮。然而，最后，霍金的好奇心大概还是战胜了对未知文明的恐惧，他于2015年参与了搜寻地外文明的“突破倾听”计划。正如同人类，还是义无反顾地一头扎进找寻地外生命的洪流中。相比霍金的自相矛盾，地外文明搜寻计划的拥趸，从始至终坚信外星文明的文明程度，认为天外来客的到访，应该是一场宾主尽欢的盛大会面，一场增进了解的友好交流。在地球漫长的演化史中，外星文明甚至可能已经降临过多次。在这些支持者看来，如果外星人能够造访地球，意味着他们属于拥有强大技术的宇宙高阶文明，他们将不需要更多资源、食物，也不需要掠夺其他星球。反观人类历史，我们也许能谨慎地判断出，大概，这种想法是太天真了。👽
本文2月19日首发于公众号“知识分子”（ID：The-Intellectual），经授权转载。知识分子由非营利公益组织北京市海淀区智识前沿科技促进中心主办，以传播科学知识、弘扬科学精神、促进科学文化为使命，致力于关注科学、人文、思想。
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