我们为何尚未发现外星生命？归咎于我们的封闭思想

这个故事最初刊登在《发现》杂志十二月刊，题为“寻找迹象”。通过成为订阅者来支持我们的科学新闻。

Avi Loeb 对限制并不满意。

Loeb 在下班回家的路上（免提）通过电话迅速向我列举了一些数据：银河系中大约四分之一的恒星，即约 250 亿颗恒星，拥有位于宜居带内的行星。他将这个数字四舍五入到 100 亿，以简化计算。“然后大约有 1 万亿个像银河系这样的星系，”他说，“这意味着在可观测宇宙中，大约有 10²²（100 亿万亿）颗行星可能像我们所知的那样存在生命。”换句话说，对外星生命的搜索才刚刚触及皮毛。“正如在其他探索性科学领域一样，”Loeb 说，“我们应该在做出全面声明之前进行彻底调查。”

他补充说，到目前为止，大部分搜索都是在无线电波段进行的，科学家们只检查了极小一部分可能的频率，在同样极小一部分可能的搜索空间中。光学波长的调查范围要小得多。Loeb 说，对于我们开发的任何新技术，我们都应该考虑外星文明是否也在某个地方开发了它，并可能留下一些可探测的痕迹。“随着我们技术的进步，这可以帮助我们想象以前从未想象过的事物，探索以前从未搜索过的事物。”

谈到想象力，Loeb——被《纽约时报》称赞“因其富有创造性和多产地尝试理解宇宙”——似乎从不缺乏。他似乎也不缺乏生产力。二十多年来，他平均每月发表两篇学术论文，此外还有定期的散文。他是哈佛大学理论与计算研究所所长，总统科学技术顾问委员会成员，哈佛大学黑洞倡议的创始主任，以及突破摄星咨询委员会主席——一项旨在将微型航天器送往其他恒星的努力。

佛罗里达理工学院物理学家 Manasvi Lingam 将他与 Loeb 在博士后研究期间的合作描述为“令人兴奋”。从 2017 年到 2019 年，Lingam 和 Loeb 撰写了 25 篇研究论文和一本即将出版的书籍，《宇宙中的生命：从生物特征到技术特征》，其中对 SETI 技术进行了广泛的讨论。“和 Avi 一起，总是能快速完成工作，”Lingam 说，“我们总是努力寻找新奇的想法，尽管这些想法仍然可以进行测试。”

宾夕法尼亚州立大学天文学家 Jason Wright 说，Loeb 无所畏惧，因为他的一些超前想法曾遭到其他天文学家的公开指责。

但 Loeb 很少被反对意见吓倒，他说怀疑论“可能成为一种自我实现的预言”。他说，与其假设什么都看不到，不如去寻找。这种态度显然得到了 NASA 的认同。NASA 最近授予 Loeb 和其他人 30 多年来第一笔与 SETI 相关的拨款，专门支持创新的搜索策略。以下是他和他的同事们为扩大 SETI 范围，并在此过程中可能瞥见外星人而提出的一些非传统观念。

远离城市灯光

Loeb 和普林斯顿大学天文学家 Edwin Turner 是志同道合的人，他们喜欢讨论推测性的想法。“在某些方面，保守的冲动对科学很有益，但在产生假设方面却不那么有用，”Turner 说。十年前，当他们游览阿布扎比并得知迪拜的亮度足以从外太空看到时，Loeb 和 Turner 开始思考我们的望远镜是否能捕捉到外星城市的光线。经过一些快速计算，他们确定哈勃空间望远镜 (HST) 能够探测到太阳系外边缘，远超冥王星的城市光污染，而新的、更先进的望远镜可以大大扩展这个范围。

尽管太阳系外围目前没有已知的行星，但 Loeb 和 Turner 提出了一种方法来确定新发现的光源是自然的还是人造的。他们的技术基于光强度随传播距离的平方衰减的原理。

假设我们测量了一个发光物体的亮度，并在物体离我们远了两倍，远离太阳后重复测量。如果该物体是自然的，例如一颗以前未知的行星或小行星，并且仅仅反射来自太阳的光线，那么它的亮度将下降 16 倍：它的亮度（从地球测量）在光线从太阳传播到物体期间将下降四倍（因为二的平方等于四），而在其返回我们的旅程中将再次下降四倍。另一方面，如果该物体是一个发光航天器，它的亮度只会下降四倍，因为它产生自己的光线而不是反射来自太阳的光线。

特纳说，如果我们对远处光源的测量结果显示强度下降了四倍，我们不应该立即开始担心外星人入侵。“但是我们会想把其他望远镜指向那里……并尝试弄清楚发生了什么。”

污染作为稀释的解决方案

1990 年，当伽利略号探测器飞过我们太阳系中的一颗行星时，其仪器发现了富含氧气和甲烷的大气证据——卡尔·萨根领导的科学团队认为这些迹象“强烈暗示存在生命”。在这种情况下，这颗行星是地球，这项实验主要是一个概念验证。但是哈勃空间望远镜已经开始检查其他恒星周围行星（称为系外行星）的大气层。它的继任者，詹姆斯·韦伯空间望远镜，定于 2021 年发射，将很快探测更遥远行星的大气层，寻找生命的生物特征。

2014 年，Loeb 和两位合作者 Henry Lin 以及 Gonzalo Gonzalez Abad 决定切换开关：他们建议寻找死亡的迹象，或者至少是严重的污染，而不是寻找生命的迹象。“人为污染可以作为智能生命的新颖生物特征，”哈佛团队写道，他们建议寻找两种氯氟烃 (CFC) 气体，四氟甲烷和三氯氟甲烷，它们可以存活数万年，并且不能通过已知的自然过程合成。

研究人员得出结论，如果浓度是目前地球水平的 10 倍，詹姆斯·韦伯望远镜就能发现系外行星大气中这些分子的存在。Loeb 及其合著者表示，观察到高水平的这些长寿命污染物而没有发现氧气等维持生命的分子，“可能对地球上的‘智能’生命发出关于工业污染风险的额外警告。”

边缘效应

麻省理工学院天文学家 Sara Seager 和其他三位研究人员于 2005 年在《天体生物学》杂志上发表的一篇论文指出，被大片植被覆盖的类地行星具有一个独特的特征。植物之所以呈现绿色，是因为它们反射光谱中绿色部分的光，但在更高波长，即红外线范围之间，反射率会急剧上升。反射率与波长的图表显示，在 700 纳米波长处有一个急剧上升，形成了一个明显的“红边”——这个特征虽然肉眼不可见，但具有光谱敏感度的望远镜可以很容易地观测到。

2017年，凌曼和勒布开始思考：如果一颗系外行星被广阔的光伏阵列而不是无边无际的绿色植物覆盖会怎样？凌曼和勒布推断，这种大规模结构会产生一个人造光谱边缘，类似于植被造成的红边，尽管出现在不同的波长（当然，这取决于阵列的材料）。他们计算了硅基太阳能电池的光谱边缘位置——鉴于硅在宇宙中的丰度，这是一个合理的选择——以及由其他广泛使用的光伏成分组成的电池，包括砷化镓和钙钛矿。未来的望远镜，例如定于2020年代中期发射的WFIRST，将能够检测到“硅边缘”，如果它存在的话。

Lingam 和 Loeb 认为，这种分析在应用于“潮汐锁定”的系外行星时特别有效，这意味着它们相对于其母星保持相同的方向，因此具有永久的光明面和黑暗面。一个配备了大规模太阳能发电的宜居行星可以照亮黑暗面，而其他设施可能会在更冷、更暗的一面释放大量的废热——这些发展可以从远处看到，并且在文明灭绝或迁移到另一个家园后可能仍然可见。

Lingam 和 Loeb 在《皇家天文学会月报》中写道，尽管这些光伏阵列会经历磨损，“但它们可以在天体物理学标准下保持相当长时间的功能，因此将代表真正的地外文物。”他们写道，如果有一天发现了文物，那可能是一个新领域——“星际考古学”——的早期，如果不是第一个，例子。

FRB的奥秘

第一次快速射电暴（FRB），一次从我们星系之外发出的强烈无线电波爆发，持续仅几毫秒，于 2007 年被发现。此后，天文学家已经观测到一百多次。Loeb 说：“普遍的观点是，这些爆发来自拥有非常强磁场的年轻中子星。”但这并非已证实。他补充说，可能没有单一的来源，因为至少有两种类型的爆发——少数会重复，大多数不会。

Lingam 和 Loeb 对这个谜团提出了一个富有启发性的解决方案：也许有些 FRB 是人造的。如果是这样，这种令人难以置信的强大爆发的目的是什么？在 2017 年发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇论文中，Lingam 和 Loeb 提出了两种可能性：它可能是一个用于广播外星文明存在的信标，他们认为这“相当不合理”。或者，它可能为由更大（面积上，而非质量上）的光帆牵引的大型飞船提供动力。他们写道：“为光帆提供动力的最佳频率被证明与探测到的 FRB 频率相似”——这个事实，结合其他技术论证，可能“为 FRB 可能是人造的这一可能性提供了一些可信度。”

Loeb 指出，反对者可能会不屑一顾，坚称“非凡的主张需要非凡的证据”。“我说它们需要证据，但为什么要把它们放在更高的位置呢？我们不应该仅仅因为一些人觉得它们奇特就自动否定解释。”

寻找人工制品

“在探索其他恒星周围宜居世界时，我们可能会……发现表面被烧毁、巨型结构被遗弃或大气富含毒气而没有生命迹象的行星，”Loeb 写道。人们也可能会看到围绕另一颗恒星运行的非自然平台或卫星的广泛网络——也许是假设的戴森球体（一种能量收集装置）的一部分。

如果足够大，这样的结构可能会被美国宇航局的凌日系外行星巡天卫星（TESS）发现，该卫星通过观察恒星亮度因行星从其前方经过而下降的现象来寻找行星。TESS 还可以探测到巨大人造巨型结构经过时造成的亮度下降。官方于 2019 年 10 月宣布，TESS 将与“突破聆听”合作——这是一项耗资 1 亿美元的 SETI 倡议，是该领域历史上规模最大、资金最雄厚的项目。

“聆听”的地面望远镜将聚焦于 TESS 识别出的潜在宜居行星。Loeb 举了塔比星的例子：它于 2016 年，即 TESS 发射前两年被发现，表现出一种奇特的变暗模式，促使一些人推测它被某种外星结构包围。Loeb 说，事实证明，我们的视线被一个形状奇特的尘埃盘阻挡了，但这正是 TESS 科学家正在寻找的那种异常现象。

搜寻星际访客

2017 年 10 月 19 日，一位天文学家使用夏威夷的 Pan-STARRS 望远镜发现了一个以每小时 19.6 万英里的速度掠过太阳的物体，速度之快几乎可以肯定它起源于太阳系之外。这个物体被称为‘Oumuamua——夏威夷语中意为“来自遥远地方的第一个侦察兵”——最初被归类为小行星，然后是彗星，最近又被归类为一块氢冰。

但是 Loeb 分析了所有这些想法，发现它们仍然留下了一些未解之谜。他认为“巨大的氢冰山”不可能形成。即使形成了，他说，这样的物体也无法在星际旅程中幸存下来到达太阳系，因为氢气很容易蒸发。此外，‘Oumuamua 具有不寻常的特征，与小行星或彗星不符：首先，它非常细长，长度是宽度的约 10 倍。该物体的加速也无法解释，因为没有发现通常在彗星中看到的由气体释放引起的喷气推进迹象。哈佛大学的 Loeb 和 Shmuel Bialy 提出，‘Oumuamua 是被太阳辐射推动和加速的，在这种情况下，它的形状更像薄饼而不是通常认为的雪茄。这引发了‘Oumuamua“可能是一个人造光帆”的可能性——他们在 2018 年 11 月发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇论文中阐述了这一观点。

在 2019 年 7 月发表于《自然天文学》的一篇文章中，一个由 14 位天文学家组成的国际团队得出了不同的结论，他们认为“奥陌陌”是一个天然物体，尽管它具有奇特的特性。

与此同时，第二个星际访客——鲍里索夫彗星——于 2019 年被发现，它以每小时 11 万英里的速度绕太阳飞行。洛布说，这个物体“显然不是人造的，因为它看起来和我们以前见过的任何彗星都一样。”但很快就会有更多闯入者可供观察。Pan-STARRS 天文台使我们能够对整个天空进行观测，而预计将于 2022 年开始更广泛观测的维拉·C·鲁宾天文台“将更加灵敏，”洛布说，“它是一个更大更好的望远镜，可能每月都能探测到一个‘奥陌陌’型物体。”

洛布坚持认为，在搜寻地外文明（SETI）方面，证据最终说了算。“我们应该不带偏见地收集证据，不预设我们知道真相，看看我们能学到什么。”另一方面，他说，我们应该保持开放的心态，并允许在追求证据的过程中承担一些风险。正如物理学家 Giuseppe Cocconi 和 Philip Morrison 在 1959 年，即 SETI 开始前一年所写：“成功的概率很难估计，但如果我们从不搜寻，成功的机会就是零。”

史蒂夫·纳迪斯（Steve Nadis）是《发现》杂志的特约编辑。