天文知识 || 天文史上的8月

原创 卢瑜 摘自《天文爱好者》

45年前 1977年8月15日,地外文明搜寻计划(SETI)使用“大耳朵”射电望远镜(The Big Ear),首次接收到了一个强烈的窄带射电信号。这就是著名的“Wow!Signal”。

图:带有伊曼手写Wow字样的射电信号记录纸

在茫茫宇宙中,我们是唯一的智慧生命吗?这是地球上的人类常常在思索的问题。

通过天文学家们的观测和计算,我们已经能够了解到,我们所处的这个宇宙,有着令人难以想象的巨大尺度。仅仅是在银河系内,就包含了数以千亿计的恒星,其中的很多恒星周围都有行星的存在,并围绕着它们运行。根据哈勃太空望远镜的观测结果,我们的可观测宇宙中应该有着1000亿至2000亿个不同大小的星系。随着詹姆斯•韦布望远镜的正式投入使用,科学家们认为,还可能搜寻到更多的星系。

图:哈勃望远镜所拍摄的深场照片,其中包含了数以千计的各类星系。

如此海量的星系,以及在星系中包含着如此多的恒星和行星,如果智慧生命形成的条件与地球类似的话,即便是概率再低,但是考虑到宇宙间如此大的天体基数,那么在地球以外的其他行星上,演化出智慧生命的可能性也将会大大地增加。有多少外星生命有可能被我们探测到?1961年,在美国西弗吉尼亚州举行的第一次SETI会议上,弗兰克•德雷克(Frank Drake)提出了著名的“德雷克方程”(Drake equation)。在这个方程式中,N表示估计的银河系内可能存在活跃的、能被探测的地外文明数量,方程的右边则是相应不同级别的概率。方程式本身并不是用来精确计算地外文明的数量,但是科学家们认为,它能够体现出的一点是:能够被探测到的地外文明,其总量可能会是非常巨大的。

德雷克方程

SETI是“Search for Extraterrestrial Intelligence”的缩写,意即“搜寻地外文明计划”,这是一项搜寻地外文明信号的科学计划。最早人们发现可以利用无线电信号来通信后,在二十世纪初,就有一些科学家,如马可尼、开尔文等人,声称接收到了来自火星的无线电信号。他们认为这可能是火星人传输过来的信息——当然,现在我们能够确定,火星上应该是没有火星人存在。随着技术不断进步,在1959年,《自然》杂志上刊登了康奈尔大学莫里索(Morriso)和科科尼(Cocconi)的一篇论文,名为《寻找星际通讯》。文中认为我们的射电望远镜已经非常灵敏,能够探测到来自其他文明向太空发射的射电信号,并且提出这种信号可能在21cm(1420.4 MHz)的波长上传输。因为这是中性氢(宇宙中最常见的元素)的谱线。他们推断,如果宇宙中还存在着其他智慧生物,那么采用这个波长的射电信号,将会是最为合理的。所以,从1960年4月开始,德雷克便利用位于美国西弗吉尼亚州“绿岸”国家射电天文台(NARO)的直径26米射电望远镜,在21cm的波长上,对天空进行缓慢而持续的扫描,试图能够找到可疑的地外信号。当然,一直到1961年SETI第一次会议开始时,他们并没有发现什么可疑的信息。

有更多的科学家对此表示出了强烈的好奇,越来越多的射电望远镜也投入到了此类信号的探测之中。1973年,美国俄亥俄州立大学射电天文台的射电望远镜在完成了自身的巡天任务后,投入到了SETI项目的观测之中。望远镜的绰号是“大耳朵”,其主反射器是103米长、33米宽的平面天线阵列;与我们现在更为熟悉的射电天线形象对比,它大概能够等效直径为53米的圆形锅状天线。在1977年8月15日深夜,这架望远镜接收到了一组强烈的窄带射电信号。几天后,天文学家伊曼(Jerry R. Ehman)在查看数据记录时,发现了这个异常情况,随手在打印出来的记录纸上用笔圈出了这个读数“6EQUJ5”,并在旁边标注了“Wow”的评论,以表示他的讶异。自此,这一事件便被称为“Wow!Signal”,被广泛地流传开来。

图:大耳朵射电望远镜

实际上,这次接收到的所谓“Wow!”射电信号,是直接来自人马座方向,信号序列持续了整整72秒。由于大耳朵望远镜两个信号接收器的指向略有不同,并且只能调节高度,并不能偏转方向,所以望远镜只能随着地球自转,对天空某个特定点的持续观测时间只有72秒。所以,对于一段来自地球之外的射电信号,将只能够记录72秒,并且信号变化趋势是逐渐增强、到36秒时信号最强,此时信号正好抵达“大耳朵”望远镜观测窗口的中央位置,然后强度又逐渐回落。让伊曼感到讶异的是,这段“6EQUJ5”信号,完全满足了这些条件,说明其指向性很强;考虑到信号的带宽小于10KHz,一般接收到来自其他天体的电磁波也不会局限在如此小的波段范围;而这个频段在地球上是受保护的,也不太可能来自地球上其他设备的信号干扰。因此,有理由怀疑,这个信号与地外文明相关。

图:Wow!信号的强度-时间变化曲线。
图:Wow!信号的位置,来自人马座附近。

伊曼在发现了这个信号之后,后续每个月都会再次尝试接收这个信号,但是都未能成功。有很多其他科学家对此也表示出了浓厚的兴趣。在1987至1989年间,哈佛大学的橡树岭天文台对此进行了持续观测;1995至1996年间,更大的甚大望远镜阵(VLA)也投入到了观测之中;在1999年,塔斯马尼亚大学的一架性能更好的26米射电望远镜,也对这个信号的位置进行了多次观测。不过后来的这些观测都没有接收到任何信息。对于“Wow!”信号的来源也一直存在很多假设,不过,由于缺乏更多的资料,最终的认定也很困难,大家众说纷纭。有意思的是,这架“大耳朵”望远镜因此变得非常有名,带动着“6EQUJ5”这段字符也意外走红,变得广为人知。

不过,对于SETI的相关观测来说,一切都在不断向前推进。从射电信号的来源分析,天文学家们已经从21cm、1.42GHz的中性氢射电信号,扩展到了氢氧基(OH)的发射频率1.64GHz之间。这是一段容易穿透行星大气的射电频谱窗口,也被称为“水洞”(The water hole),这个波段是SETI的最佳选择。目前,很多大型的射电望远镜都在SETI的观测上发力,位于我国贵州的世界最大口径射电望远镜FAST,就安装了高分辨率的SETI后端,在对获取的信号进行处理之后,筛选出了多组窄带候选信号,科学家们对此正在进行分析和后随的认证观测。在FAST主页上,就介绍了SETI的科学任务,并强调,寻找地外文明的学科风险是不言而喻的,但它一旦成功,将使人类所有的科学成就黯然失色。所以科学界的探索、发达国家政府与民间对SETI的投入也从未停止过。希望在不久的将来,在探索地外文明方面,人类能够有更多、更重要的发现。

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