搜寻地外文明的光学方法 | Discover Magazine

搜寻地外文明（SETI）对天文学家来说，颇具悖论意味。如果他们能够证明外星文明的存在，那无疑将是科学史上最伟大的发现之一。然而，找到外星人的几率极其渺茫。搜寻开始的四十年里，只有 handful 的科学家参与其中，而且一无所获。

尽管如此，探测到外星信号的几率近来有所提高，这部分归功于一个非同寻常的团队，其中包括几位著名的天体物理学家、一位学校老师、一位摇滚音乐家、一位销售员以及大约十多位其他爱好者。自去年 11 月以来，他们一直在新泽西州普林斯顿大学校园边缘的一个天文台的控制室里进行搜寻，这个天文台简陋到连卫生间都没有。即便存在这些不足，但就在距离奥森·威尔斯 1938 年著名广播剧《世界大战》中虚构的火星人着陆地点不到五英里远的地方，或许就能证实第一个外星文明存在的证据。自从弗兰克·德雷克在 1960 年首次系统性搜寻以来，尽管它的倡导者们一直承认并淡化，但搜寻的最大障碍在于假设外星人是通过无线电进行交流。这或许并非一个糟糕的猜测：无线电波易于产生，并且在某些频率下可以几乎不受干扰地穿越银河系。此外，大多数恒星产生的无线电波非常微弱，所以如果你从一个太阳系向另一个太阳系广播，你就不必担心与你家恒星竞争清晰的频道。尽管如此，科学家们只是在猜测无线电波；他们对地外文明可能选择的交流方式一无所知。并且在他们搜寻的 40 年里，他们忽略了电磁频谱的绝大部分，包括红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽马射线。现在不一样了。世界各地半打天文台的天文学家们正在寻找地外文明是否可能使用可见光（例如激光发出的光）而非无线电频率进行交流。“我们花了一段时间，”哈佛大学物理学家、长期从事无线电波 SETI 搜寻的保罗·霍洛维茨承认，“但我们现在非常认真地对待光学方法。”光学搜寻，也就是 OSETI，最早是由激光发明者查尔斯·汤斯在 1961 年提出的，就在德雷克首次无线电搜寻一年后。当时激光非常新颖且出乎意料，以至于物理学家们还不确定它们有什么用处，但汤斯，他在 1964 年因其发明获得了诺贝尔奖，他有很多想法，包括星际通信。他与人合写了一篇发表在《自然》杂志上的论文，论证了观测者应该寻找地外激光以及无线电波。当时没人太在意，主要是因为让激光比恒星更亮的所需功率看起来荒谬地大。“我们这些‘无线电黑手党’，”霍洛维茨承认，“已经把自己的技术卖给了自己，以至于我们对其他任何东西都严肃不起来。”

“凭借已有的激光技术，地球可以产生比太阳亮数千倍的短暂光闪，”哈佛大学天体物理学家保罗·霍洛维茨（左）与研究生安德鲁·霍华德在波士顿郊外的橡树岭天文台说道。“这一惊人的事实促使我们搜寻可能居住在银河系中的其他文明发出的可见光闪烁。”

然后在 1997 年底，在加州 SETI 研究所赞助的一次研讨会上，汤斯再次阐述了他的观点，霍洛维茨回忆说：“他以一种美妙、随意的、含蓄的方式表达。我们中的一些人终于听进去了，意识到‘嘿，这是一个非常棒的主意！’” 改变的关键在于激光器变得更加强大，更重要的是，物理学家们得出结论，通过短暂激光脉冲进行星际通信所需的总能量是可行的。到 20 世纪 90 年代末，科学家们能够将高达百万亿瓦的功率压缩到万亿分之一秒的激光脉冲中。在这种水平下，激光的亮度是太阳的 5,000 倍。与此同时，激光器可能会变得越来越强大，而我们正在寻找的先进文明很可能已经在激光功率方面超越了我们。此外，霍洛维茨说，设计能够检测到超短激光脉冲的探测器“事实证明非常容易”。1997 年研讨会约六个月后，霍洛维茨开始使用哈佛大学在波士顿郊外橡树岭天文台的 61 英寸望远镜进行光学 SETI 搜寻。霍洛维茨没有将他们的项目挤进望远镜的日程安排，而是选择了所谓的“搭便车”方式：每当他的哈佛同事戴维·拉瑟姆和罗伯特·斯特凡尼克使用望远镜进行他们自己的研究——寻找我们太阳附近类似恒星的行星——霍洛维茨和他的团队就会分流大约三分之一的恒星光，并将其导向两个相同的探测器。这是为了防止误报：“仅仅因为电子学的性质，”霍洛维茨说，“探测器本身就会产生模拟信号的电流尖峰。”使用两个探测器时，这些虚假的尖峰仍然会发生，但几乎不会同时发生；一个尖峰必须同时出现在两个探测器中才会被计数。

地球，你能读懂我吗？OSETI 探测器旨在拦截可能表明外星人正试图与我们交流的短暂激光脉冲。为了测试他们的探测器，哈佛团队对发光二极管 (LED) 的连续闪烁进行了长时间曝光示波器读数。左下角的小凸起是单光子闪烁，右下角的大凸起是多光子闪烁。“来自恒星等天体物理源的光，光子在时间上是分散的，不会产生双脉冲，”安德鲁·霍华德说。“来自另一颗行星上的大型激光信号会因为其人为特性而脱颖而出：在短时间内幅值大且连续脉冲。”

即便如此，系统仍然可能被欺骗。将星光分流并分割的光学系统可能会产生内部反射，导致两个探测器出现相同的闪烁。除此之外，天空有时也会自行闪烁：在太空中加速的带电粒子有时会撞击高层大气。这些宇宙射线会产生称为切伦科夫辐射的快速光脉冲，以及可能被误认为外星信号的高能粒子μ介子。但宇宙射线闪烁是纯粹局部的；如果你有第二个望远镜指向同一颗恒星，并且两个望远镜同时看到闪烁，那就不可能是切伦科夫辐射或μ介子——也就不可能是望远镜或探测器内部的故障。这正是由天体物理学家戴维·威尔金森领导的普林斯顿团队发挥作用的地方，他曾是美国国家科学院授予的 2001 年著名的詹姆斯·克雷格·沃森奖的获奖者。近年来，大学主动免除了他所有的教学职责，让他可以追求任何他感兴趣的项目。他还被诊断出患有淋巴瘤，需要定期化疗，这让他精疲力竭，并且容易患支气管炎。然而，威尔金森拒绝放松。他一直积极参与一个项目，以前所未有的细节绘制宇宙大爆炸遗留辐射图，并在 1998 年自愿教授一门关于“寻找银河系生命”的入门级研讨课。碰巧，该学期有两位不同的客座演讲者提到了霍洛维茨的项目。这在威尔金森的脑海中引发了一道切伦科夫光。他知道，建于 20 世纪 70 年代、已被废弃的破旧的菲茨-兰多夫天文台建筑里，有一台同样破旧的 36 英寸望远镜，可以作为霍洛维茨的备用设备。于是威尔金森打电话给他的朋友霍洛维茨，询问技术规格。他还需要一个团队来翻新建筑和望远镜，建造电子探测器，然后操作整个设备。像寻找外星人这样的边缘项目，短期内无法获得大规模资助，但这并没有阻止威尔金森——一位开皮卡、骑摩托车的科学家，他立即卷起袖子，开始寻找志愿者。他那个不寻常的团队最初包括几位普林斯顿的化学家（他们也是狂热的业余天文学家）、同事物理学家、一位计算机专家以及一些学生——所有人都愿意为这项事业贡献汗水和专业知识。大学和一位校友提供了 2 万美元的启动资金。这对威尔金森来说已经足够了。“我喜欢我们在极其简陋的条件下进行真正、可能非常重要的科学研究的事实，”他去年夏天说。“我玩得很开心——可能花在上面的时间比我应该花的要多。”

业余天文学家马克·洛佩兹准备在普林斯顿大学的菲茨-兰多夫天文台度过一个夜晚，寻找来自外星人的光学信号。该望远镜是一台卡塞格林反射望远镜，拥有一个 36 英寸的主镜。右侧的除湿机用于防止望远镜不使用时镜子上形成冷凝水。

搜寻者们也玩得很开心。每个晴朗的夜晚，都会有一两名志愿者前来操作设备，从哈佛团队那里获取搜寻目标指示，并观看数据涌入。“我还是不敢相信戴夫·威尔金森这样高水平的科学家竟然信任我来自己操作这台望远镜，” Aaron Schomburg 说，他在周二和周五的午夜到日出班次上单独工作，然后在去上他作为小学科学老师的日常工作。“但我认为，我们是否孤单地存在于宇宙中，可能是最重大的科学问题。我们可能无法通过这次搜寻得到答案，但当我们找到答案时，我会知道我参与了最初的阶段。”而这仍然是最初阶段。到目前为止，哈佛-普林斯顿项目已经记录了七次“巧合”探测，即闪烁在三分钟内同时击中两台望远镜。最接近的两次闪烁仍然相隔 16 秒，这远远不够同时发生，不足以被视为一个信号。根据威尔金森的说法，“我们需要在两毫秒或更短的时间内看到它们，才能认真对待。”当然，没有人能预测一个真正的信号何时或是否会被探测到。可能明天就会发生，也可能需要数千年才会到来。但令人悲伤的是，戴维·威尔金森将无法看到这一天。2002 年 9 月 5 日，淋巴瘤最终击败了他，享年 67 岁。“他是科学界的典范绅士，”哈佛团队成员 Chip Coldwell 说，他曾帮助普林斯顿团队启动和运行。“他的领导才能和技术专长将深受怀念。”