我们为什么要寻找外星人？世界上还有多少“红岸基地”？

湘军

02.19知识分子The Intellectual



比邻星b与其所属的三星系统想像图。（图源：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组成成员，也是《三体》中让人类畏惧的高等三体文明的发源地。想象一下，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，大概面面相觑间，唯有泪千行吧。
撰文 |郑晓晨责编 |李珊珊●                  ●                   ●
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，潘多拉的魔盒开启，人类开始了与高阶文明抗争的心酸史，这是著名科幻小说——《三体》中令人唏嘘不已的地球往事，却也能得窥人类在探索地外文明过程中的某些心路历程。
然而，为什么要去寻找地外文明？
与之密切相关的是另一个横跨古今的难题——人类是否是宇宙中的唯一？（“Are we alone?”）
当我们意识到自己赖以生存的地球并非太阳系的核心，而带来光明的主星太阳也并非宇宙的中心，我们便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的唯一文明。
或许是为了消解寂寥宇宙中的孤独感，再或者如同《三体》中的叶文洁们所秉持的信仰——借助一个更高阶的文明解决人类的困局。在茫茫宇宙间，人类渴望找到另一个文明的痕迹。
上世纪50年代，诺贝尔奖得主、著名物理学家费米（E. Fermi）先生曾提出了一句震耳发聩的问题：
Where are They？1
被动等待：红岸 ｜｜ 绿岸

在探寻地外生命的旅程中，红岸、伊文思，或许各有原型。

很长一段时间以来，人类对于地外文明的好奇心，对于人类文明的唯一性探讨似乎集中在哲学、神学领域，属于浅尝辄止的小众话题。直到上世纪初，无线电问世。相较于其它波段的电磁波，比如可见光和红外线，无线电波有望在鲜受干扰的情况下，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，美国射电天文学家德雷克（F. D. Drake），首次在位于绿岸的国家射电天文台，利用了一台26米的射电望远镜，监听了两颗临近恒星——天仓五（Tan Ceti）和天苑四（Epsilon Eridani）的无线电信号，开创了搜寻地外文明（SETI）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，即为著名的德雷克方程（绿岸公式）。


德雷克方程。具体可表述为：银河系中地外文明的数目=银河系每年诞生的恒星数量*该恒星拥有行星的概率*具备生命诞生条件的行星数量*生命诞生的概率*该生命进化成智慧生命的概率*拥有与其他星球通信的技术概率*该技术文明能够存续的时间。（图源Astronomy: Roen Kelly）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，但却并不能很好地量化外星文明的数量，毕竟其中很多参数，尤其是涉及生命诞生与进化的概率，文明存续的时间等问题，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，毕竟仅仅银河系内就大约有百亿颗（量级估计）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，整个可观宇宙中的星系数目同样高达百亿量级。一方面是可能大量存在的高等文明，一方面是人类长期一无所获的观测现实，这也是费米悖论的由来，“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年到2004年间，凤凰计划 （Project Phoenix) 上马，该工程综合利用了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（Parkes）64米射电望远镜，和美国绿岸国家射电天文台的42.7米射电望远镜，以及波多黎各岛的305米阿雷西博（Arecibo）望远镜。花了近十年间，在1.2-3GHz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【1】。
2015年，科技界亿万富豪尤里·米尔纳（Yuri Milner）发起了史上最大的SETI项目——突破倾听（Breakthrough Listen）项目，旨在扫描宇宙中地外文明存在的迹象。该项目计划十年内，利用直径100米的美国绿岸望远镜（GBT）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【2】。
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讯息外，人类也曾多次尝试向外太空喊话。比如，上世纪60年代，前苏联利用无线电发射器向金星发送了摩尔斯电码；70年代，美国宇航局向太阳系边缘发射了携带唱片等地球信息的先驱者10号、11号和旅行者1号、2号，4颗探测器。
到了1974年，德雷克和萨根（C. Sagan）甚至提议向武仙座星系团（M13）发射一组包含数字、DNA、太阳系天体以及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，这些地球讯息大概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，人类收到其回复也是5万年之后的事情了。2
另辟蹊径：宜居星球 ｜｜ 地外生命

至少，寻找宜居星球的主动出击或许更有针对性，也更安全。


无论是监听还是喊话，人类对于地外生命的大（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【3】，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它文明的反馈，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，而系外行星探测则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，开普勒太空望远镜（Kepler）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，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。这是目前最为有效的系外行星探测手段，贡献了（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、直接成像法和天体测量法、脉冲星计时法等。短短二十多年间，在银河系内，我们已经探知超过了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、超级地球和类地行星等类别（图2），不过，大都与太阳系内的行星迥异。


已探知的系外行星分布图。不同颜色表针行星的探测手段，其中绿点对应凌星法，蓝点对应视向速度法，黄点对应微引力透镜法。（图源：改编自【8】中图）在这些已探知的系外行星中，有近六十颗行星恰好位于其主星的宜居带（habitable zone）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（平均）温度应该能够保有液态水，就如同地球的轨道正好位于金星与火星之间，恰恰幸运地落在太阳系的宜居带内，不太冷也不太热，才有可能成为人类文明诞生的摇篮。


已探知的处于宜居带内的系外行星。（图源：改编自【7】中图）这些宜居行星候选体，甫一公布就点燃了公众对于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（Proxima Centauri）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，当时引发了极大的轰动。
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组成成员，也是《三体》中让人类畏惧的高等三体文明的发源地。想象一下，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，大概面面相觑间，唯有泪千行吧。
2017年，比利时天文学家在红矮星Trappist-1附近，发现了七颗行星，其中有三颗都处于宜居带中，令人备受鼓舞。

不过，目前人类已知的这些宜居行星候选体，却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，同时行星表层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；有些宜居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12%太阳质量的红矮星。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。换而言之，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，行星环境将与地球迥然不同。而且，更为致命的是，红矮星比太阳活跃（10-1000倍），大多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。3
光年之外的文明，路在何方？
寻找地外宜居行星，也是寻找我们的第二家园。



宜居的类地行星示意图。（图源：新华社）

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，处于宜居带中，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）地外文明的新大陆，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大陆，我们需要基于行星的轨道周期、大小（半径）、质量和大气成分这四个维度重点挑选候选者。
作为Kepler卫星的继任者，2018年发射升空的凌星系外行星巡天望远镜（TESS）将肩负重任。与前辈Kepler卫星连续多年定点监测不同，TESS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。  


系外行星搜寻工作的部分贡献者。（图源：NASA）

由中国遴选出的候选空间发射任务中，地球2.0空间巡天（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，甚至于那些已被主星抛弃，孑然一身的流浪行星（包括流浪地球）【4，5，6，7，8】。


  ET卫星艺术图。（图源【7】）

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）的高精度后随光谱观测证认并确定行星质量。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，限制行星的最低质量，再结合凌星法提供的大小信息，即可预估候选体的密度区间，进而推断行星的表面、内部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布太空望远镜（JWST，原名Webb）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），JWST以其超强的图像分辨能力、超深的试场、超精光谱解析能力傲视群雄。去年，JWST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。


     CHES艺术图。（图源【10】）

另一个具有独特原创性技术路线的中国方案是近邻宜居行星巡天计划（CHES），该方案另辟蹊径，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，但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【9，10】。
在这场宜居行星的搜寻盛宴中，参与者众多，有行星猎手之称的系外行星特征探测卫星（CHEOPS）专研行星参数；有即将发射的PLATO卫星将专注于类太阳恒星周围宜居行星的形成条件；包括中国的觅音计划将通过直接成像法证认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，一起为光年之外的文明家园添砖加瓦。担纲世界最大单口径射电望远镜的中国天眼——500米口径球面射电望远镜（FAST），自不会缺席这场狂欢。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。作为同波段望远镜中的个中翘楚，相较于过去数十年漫无目的的等待，FAST将针对性监听TESS等望远镜公布的宜居行星，有望接收到地外行星上的类地文明，甚至是高阶文明的讯息【11】。4
寻访外星人，一场和平的会晤，还是潘多拉魔盒？

对地外文明的好奇心会害死猫么？

相较于避难所的概念，当下，无论是寻找另一个宜居星球也罢，还是探访地外文明的踪迹也罢，更多是出于人类本源的好奇心，对于自身唯一性的追根究底。不过，不确定性如影随形。早在2010年，霍金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，恰恰来自源于自己按下的那颗红色按钮。

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，其于2015年参与了搜寻地外文明的突破聆听计划，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。相比于霍金的自相矛盾，地外文明搜寻计划的拥趸从始至终地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会面，一场增进了解的盛会。在地球漫长的演化史中，外星文明甚至可能已经发生过多番降临。

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高阶文明，他们将不需要奴隶、食物甚至殖民掠夺其他星球。大概，哥伦布发现新大陆时，美洲原住民也是这样天真吧。

参考文献：（上下滑动可浏览）

1.https://www.seti.org/seti-institute/project/details/project-phoenix
2.https://breakthroughinitiatives.org/initiative/1
3，.Mayor, M., and Queloz, D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature,  1995, 378, 355
4.Ge, J., Zhang, H., Zang, W.C. et al., (2022a). ET White Paper: To Find the First Earth 2.0, arXiv:2206.06693, https://arxiv.org/abs/2206.06693;
5. Ge, J., Zhang, H., Deng, H., Howell, S.B., the ET team, (2022b), The ET mission to search for Earth 6.0s, The Innovation, doi: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100271
7.Ge, J., Zhang H. Deng, H.P., et al. (2022c), "The Earth 2.0 Space Mission for Detecting Earth-like Planets around Solar Type Stars", Proc. SPIE, 12180-41, in press.
8.葛健、张辉、邓洪平《用ET寻找宇宙中的“E.T.们” | 赛先生天文》
9.葛健《寻找第二个地球和生命 |墨子沙龙》
10.Ji, J., et al. CHES: a space-borne astrometric mission for the detection of habitable planets of the nearby solar-type stars. Research in Astronomy and Astrophysics, 2022, https://doi.org/10.1088/1674-4527/ac77e4
11.季江徽《天涯若比邻：寻找“地球2.0” | 赛先生天文》
12.刘博洋《“中国天眼”的地外文明搜索计划，靠谱度几何？| 赛先生》

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