德雷克方程：我们能接收到多少地外文明信号？

来历科学大院

前一段时刻，朋友圈、微博都被所谓的“来自15亿光年外的信号“刷屏了，许多吃瓜大众都凑热闹地吼一句“不要答复！”

 

图片来历网络截图

其实这个信号是来自于一个重复的快速射电暴，尽管它的实质咱们还不彻底清楚，能够必定和外星人没有什么联系。

相似的一幕在前史上不断演出，就像50多年前，Bell发现了一个周期性射电信号，也有人置疑这个信号是来自“小绿人[1] ”（作者注在五六十时代新闻中经常用“小绿人”代指外星人），而其实它是来自脉冲星。

为什么一说到外星人咱们都这么猎奇呢？由于作为仅有已知的才智生命，咱们人类都很关怀这些问题外星人存在吗？他们在哪儿？咱们能接纳到外星人的信号吗？

费米悖论外星人都在哪儿

1950年，在一个午饭集会的评论中，闻名物理学家Enrico Fermi 向他的搭档提出了一个问题，外星人都在哪儿？咱们的有几千亿颗，假如它们都有行星，那么必定会有才智生命存在，世界的前史那么长，假如这些才智生命一向存续下去，他们早现已能够遍布整个银河系了，为什么咱们仍是没有发现他们存在的依据？这就是闻名的“费米悖论”。不过，听说这些观点并不是费米提出的，而是地理学家Michael Hart和物理学家Frank Tipler先后提出的。

（图片来历作者克己，借用哈勃极深场图画制造）

后来，还有不少科学家依据一些假定核算一个才智文明殖民整个银河系需求多少时刻。James Trefil 和Robert Rood以为只需求3000万年，而Carl Sagan核算出需求50亿年。这些数字的实际含义并不大，由于核算依据的许多假定不确定性太大。尽管“费米悖论”还存在争议，可是人类一向孜孜不倦地诘问和费米相同的问题外星人都在哪儿？

德雷克方程咱们能接纳到多少文明信号？

早在人类刚刚开端运用无线电波的时代，其时的科学家们比方Heinrich Hertz， Nikola Tesla和Guglielmo Marconi就很有预见性地以为，无线电波能够作为行星际之间的通讯手法。1919年，Marconi在一次实验中接纳到一个古怪的信号，他企图研讨这个信号是不是来自火星，其时还引起了很大的社会颤动，由于在那个时代仍是各种科幻故事的主角。一百年后，咱们仍旧对“古怪”的射电信号有着浓浓的爱好，只不过主角在不断地改换。

1958年刚刚从哈佛大学毕业的博士Frank Drake来到了Green Bank地理台，刚开端Drake只是寻觅一些一般的天体作为射电地理的观测方针。比方在1959年他第一次发现了由于木星的磁场捕获带电粒子发生的辐射带。

同年，Giuseppe Cooni 和 Philip Morriso在《天然》杂志宣布了一篇标题为《Searching for Interstellar Communications》 论文主张运用射电望远镜搜索有特征的窄带射电信号，这种信号或许来自外星文明的通讯，并且他们主张地理学家在1420兆赫兹这个频率进行搜索，由于这个频率对应于氢原子的发射线，而氢是世界中最为遍及的元素。这篇文章为之后搜索地外文明的实验指明晰一个方向，能够说是该范畴奠基性的论文。

或许遭到这篇文章的启示，Drake和他的搭档们进行了一个名为“Ozma”的研讨项目，将一个口径25米的射电望远镜指向了附近[2] 的两颗恒星Tau Ceti 和 Epsilon Eridani。他们在两个月的观测中的确接纳到了一些不同寻常的信号。不过，后来仔细剖析，他们发现信号是来自高空飞翔的飞机。这个项目是有科学记载的人类第一次展开搜索地外文明的实验，从此拉开了人类搜索地外文明的前奏。

在1961年的一次关于搜索地外文明的小型研讨会上，Drake提出了闻名的Drake方程。这个方程第一次定量的估量了咱们能接纳到地外文明信号的数量，它考虑了恒星构成，行星构成以及一些其它影响才智生命存在和展开的要素。

这个方程写成

N = RfpNeflfifcL

其间N是银河系中能够被勘探到电磁波信号的文明的数目，R是均匀恒星构成率，fp是存在行星的恒星份额，Ne是适合生命的行星数目，fl是在这些中的确呈现生命的份额，fi是其间呈现才智生命的份额，fc是才智生命具有星际通讯才能的份额，L是这样的文明持续发射电磁波信号的时刻。

Drake方程 （图片来自于seti.）

依据这个方程，Drake十分粗略地估测银河系内N大约为10000，也就是说，人类大约能收到10000个不同的“外星人”宣布的信号。其实除了恒星构成率，其它参数在其时连一个靠谱的猜想都没有，比方直到90时代，人类才第一次发现太阳系外的行星，何谈估量存在行星的恒星份额，因而Drake估量的数字并没有太大的参阅含义（http://activemind./Mysterious/Topics/SETI/drake_equation.html，感爱好的能够在这个网站自己核算一下）。

可是Drake方程第一次引领人们科学的考虑搜索地外文明的问题，把一个看似无从下手的问题，转变为一个个能够估量的参数。后来Drake成为搜索地外文明范畴奠基者之一，被称为“搜索地外文明科学之父”。2001年，SETI研讨所建立[3] 了一个奖项就是以Drake的姓名命名，用以奖赏在地外文明搜索方面做出突出贡献的科学家。

搜索地外文明 争议与探究

即便存在运用无线电波进行通讯的地外文明，咱们也不知道他们在哪儿、他们运用什么频率进行通讯。因而这种观测需求搜索许多的天区一同需求搜索很宽的频率规模（不是只是限制在氢线的频率），花费许多的观测时刻，，也需求许多钱……

NASA从前在七十时代展开了一系列有关搜索地外文明（search for extraterrestrial intelligence，SETI）的项目，可是在1981年被国会叫停了，有参议员以为SETI项目不或许得到什么成果，是糟蹋纳税人的钱；在闻名的地理学家Carl Sagan的游说下，国会于1983年又从头康复了赞助。

1992年10月12日，NASA开端了一个名为“高分辨率微波巡天”（High Resolution Microave Survey）的项目，意图就是搜索地外文明信号，这一天是哥伦布发现美洲的日子，选在这天可见NASA的意图深远。这个项目为期10年，预算为1亿美元，包含两个部分全天巡天和定点搜索。其间定点搜索是运用口径300米的Arecibo射电望远镜针对附近的恒星进行监测，这是其时世界上最大的射电望远镜。可是项目运转了一年之后，国会就间断了赞助，相同仍是有议员以为SETI项目没有成果。这一中止居然长达25年，直到2018年，国会才给了NASA 1千万美元用于搜索地外文明的项目。

除了美国，其他国家也有过搜索地外文明的项目，首要是前苏联。他们于1971年和1981年分别在亚美尼亚和爱沙尼亚举办过相关的国际会议。在美国，除了政府赞助的NASA，民间也有许多大学和研讨机构展开了许多搜索地外文明的项目。

图片来历视觉我国

1984年11月，Tom Pierson和Jill Tarter建立了一家名为SETI研讨所的非盈利性安排，从姓名就能看出来，该研讨所首要方针就是搜索地外文明。它的第一任理事包含 Frank Drake， Andre Fraknoi， Roger Heyns， and William Welch，其间Drake是理事会主席。后来包含 Carl Sagan， Le Platt和 诺贝尔奖获得者Baruch Blumberg（1976年生物医学奖） 和Charles Tones（1964年物理学奖）都从前是理事会成员。

SETI研讨所从前承当了许多NASA的和搜索地外文明相关的研讨项目， Jill Tarter还曾担任“高分辨率微波巡天”的项目科学家。当NASA的相关研讨经费被停止之后，这些人在SETI研讨所重整旗鼓，建立一个名为“凤凰”的项目（Project Phoenix），由Jill Tarter领导，该项意图经费大多来自于私家捐助，其间包含许多其时科技界的大佬，比方英特尔的联合创始人Gordon Moore，惠普的联合创始人Bill Helett和微软的联合创始人Paul Allen。

能够以为“凤凰”项目是被NASA砍掉的“高分辨率微波巡天”项意图继任者，该项目选用的观测战略是定点搜索，先后运用澳大利亚64米的Parkes望远镜、Green Bank地理台的42米射电望远镜和Arecibo望远镜进行观测。

由于Arecibo望远镜观测时刻分配很严重。“凤凰”项目在6年之间只观测了100多天。SETI研讨所期望具有望远镜专门用于搜索地外文明的观测。科学家们方案缔造一个具有350面天线的射电望远镜阵列，这个望远镜以赞助者Paul Allen的姓名命名，叫做Allen Telescope Array，简称ATA。这是一个十分巨大的项目，不或许一蹴即至，他们决议先缔造一个小的阵列，然后逐渐扩展。2007年，第一批42面天线缔造完结，每个天线的口径为6米。ATA是第一个专门为了搜索地外文明信号所规划的大型射电望远镜。

Allen Telescope Array （图片来自于Seth Shostak/SETI Institute）

SETI@home找外星人 人人上阵！

除了望远镜和观测时刻，SETI的研讨还面对一个问题--数据剖析。由于详尽地剖析数据所需求的核算才能真实太大，其时他们没有经费缔造或许购买一台具有这样强壮才能的超级核算机。加州大学伯克利分校的两个核算机科学家David Gedye 和 Craig Kasnov想到了用分布式核算来处理这个问题。

1999年，他们上线了一个名为SETI@home的项目，想运用联网的个人电脑来协助剖析Arecibo望远镜的观测数据，这些数据来自加州大学伯克利分校的一个SETI项目，名为“SERENDIP”（Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations）。把软件安装在个人电脑上，当电脑搁置的时分，这个软件就会主动下载数据，然后进行剖析，发生一些图画，看起来就像屏幕维护相同。坐在家里就能搜索外星人的信号，这个主意让人听起来就觉得很帅，所以该项目上线之后，民众的热心十分高，招引了数百万的用户运用。

SETI@home的软件发生的数据剖析图画 （图片来历SETI@home， UC Berkeley SETI Team）

SETI@home能够说是最为成功的一个大众参加的分布式核算项目，后来科学家以此为基础开发了一个名为BOINC的分布式核算渠道，用于不同学科的分布式核算，比方生物医学、药物研制、数学、密码学乃至大型强子对撞机的数据剖析。2005年，SETI@home项目也转到BOINC渠道上，一向运转到现在。

 

更雄伟的方案“打破倾听”

2015年，俄罗斯的亿万富翁Yuri Milner发起了一个名为“打破方案”（Breakthrough Initiatives）的项目，联合多位闻名的科学家，包含Stephen Haking、Martin Rees、Ann Druyan和Frank Drake，旨在寻觅一个问题的答案Are e alone ？其间的一项方案名为“打破倾听”（Breakthrough Listen），就是运用望远镜搜索地外文明的通讯信号，这项方案将耗资1亿美元，搜索间隔咱们最近的1百万颗恒星以及间隔最近的100个星系，这将是迄今为止最为巨大的搜索地外文明方案。

图片来历https//.shutterstock./

这些观测现已相继展开，运用的望远镜包含100米的GreenBank，64米的Parkes等射电望远镜，还运用Lick地理台的APFT（Automated Pla Finder Telescope）望远镜企图搜索地外文明的光学激光信号，由于激光也是一个很好的通讯手法，地外文明也有或许运用激光进行通讯。

零记载外星人“信号”还没有呈现

许多人看到这儿，都会想问，你说了这么多，咱们人类究竟有没有接纳到外星人的信号？很惋惜，答案是没有。

尽管科学家们付出了这么多尽力，勘探到过许多“风趣”的信号（包含最初说到的快速射电暴），可是迄今还没有切当的依据标明有信号是来自地外文明。可是咱们也只具有有限的几种手法，搜索了很小一部分规模。对此，Jill Tarter打了一个很好的比方，“假如你的问题是，‘海里有鱼吗？’你舀了一杯水，看了看没有鱼，我觉得你不会因而就得出结论说海里没有鱼。”

也有一些“疑似”的案例，最闻名的就是1977美国地理学家Jerry Ehman发现的“Wo！”信号，它的频率就在1420兆赫兹，可是这个信号只持续了72秒，并且之后在那个方向上就再也没有勘探到过。在2012年，“WoW！”信号发现35周年之际，受国家地理频道的恳求，Arecibo地理台向“WoW！”信号的方向发射了一束无线电波，包含了10000条Titter的信息。

“Wo！”信号 （来自Ehman的手稿。红圈中的“6EQUJ5”代表信号信号强度随时刻的改变。）

还有一些其它的“疑似”案例终究被证明是来自咱们人类的信号，比方Drake最早的搜索。最近的一次发生在2016年，俄罗斯和意大利的地理学家声称运用俄罗斯的一个射电望远镜接纳到一个“或许”的外星文明信号，来安闲一个间隔咱们94光年远的和太阳相似的恒星HD164595，并且这颗恒星是有行星环绕的，后来其它的射电望远镜也对该恒星进行了观测，可是没有勘探到相似的信号，终究该信号被以为是来自一颗军方的卫星。

古怪的天体特别的搜索方针

尽管没有搜索到外星人的信号，可是最近几年地理上有好几例风趣的发现都和外星人扯上了联系，成为SETI的搜索方针。

恒星KIC 8462852 

2015年地理学家Tabby Boyajian发现了一颗光变形式十分怪异的恒星KIC 8462852，各种模型都无法解说它的光度改变，宾夕法尼亚州立大学的副教授Jason Wright提出了这有或许是高档的外星文明缔造的相似的结构，用于搜集恒星的能量，咱们现在还无法验证这种说法。

Wright和Boyajian一同协作，运用不同的望远镜持续对这颗恒星进行监测，他们也运用射电望远镜搜索来自这颗恒星的窄带射电信号，SETI研讨所也运用ATA望远镜进行了搜索，可是都没有找到。加州大学伯克利分校的Nate Tellis在2017年运用Keck望远镜搜索它的光学激光信号，也没有勘探到。可是恒星KIC 8462852依然是SETI范畴一个抢手的观测方针。

设想的戴森球结构（图片来历http://.capnhack.）

天体Oumuamua  

2017年，地理学家第一次发现了一颗来自太阳系外的小天体，后来被命名为“Oumuamua”，夏威夷语中意思是“远方的信使”。这个太阳系外的访客激起了地理学家稠密的爱好，许多的大型望远镜都对它进行观测。

它是一个相似雪茄形状的长条形，估量它的长度或许是几百米，由于走位太过于风流，地理学家很难解说它的运动轨道。Jason Wright以为它或许是一艘损坏的外星人飞船，哈佛大学的闻名教授Avi Loeb在一篇论文中以为它或许是靠太阳辐射压驱动的外星人飞船，这些说法都还只能停留在理论估测上。射电望远镜相同对“Oumuamua”进行了射电信号的搜索，包含ATA和GreenBank望远镜，可是也没有发现什么信号。

Oumuamua的设想图 （图片来历ESO/M。 Kornmesser）。

尽管前史上许多“奥秘”的现象终究都被证明是天然原因形成的，而非外星人所为。可是Jason Wright以为，在搜索地外文明范畴，将地理上不同寻常的现象作为搜索方针，是一个十分合理的战略，咱们就应该要点重视天体物理不能解说的现象，假如存在大天然的机制不能发生的现象，才有或许以为是才智文明所为。

不过关于科学家来说，把这些不能解说的现象都归结为外星文明，面对着科学哲学方面的问题，由于这种假说很难乃至底子不或许被证伪。正如Jason Wright在他的博客中写道的那样“关于这些无法解说的现象，外星人假说应该作为咱们终究寻求的解说”。