1802年，年輕的德國(guó)數(shù)學(xué)家高斯(Carl Friedrich Gauss)提出了一種讓未來(lái)火星人知道我們地球人類存在的方法：在西伯利亞森林中開(kāi)墾一大片土地，種上小麥，然后創(chuàng)造出一種類似畢達(dá)哥拉斯定理(譯者注：即勾股定理)的圖案。大約80年后，Lowell Observatory天文臺(tái)的創(chuàng)始人，天文學(xué)家Percival Lowell支持在火星上發(fā)現(xiàn)了運(yùn)河的觀點(diǎn)，他建議在撒哈拉沙漠挖掘我們自己的運(yùn)河，在運(yùn)河里裝滿石油并點(diǎn)燃它們，從而吸引火星居民的注意。

雖然這兩個(gè)想法都沒(méi)有付諸實(shí)踐，但它們都是“技術(shù)印跡”的例子：作為過(guò)去或現(xiàn)在技術(shù)活動(dòng)存在的跡象，指出了先進(jìn)行星文明的存在。這樣的搜尋聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)，但在過(guò)去的幾年里，天文學(xué)家們一直在制定技術(shù)印跡搜尋的計(jì)劃，這些印跡可能會(huì)被下一代太空望遠(yuǎn)鏡看到，比如被即將于12月發(fā)射的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope，JWST)看到。

搜尋天空

過(guò)去的60年中，射電天文學(xué)家一直在將他們?cè)絹?lái)越精密的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空，尋找可能來(lái)自外星智慧生命的信號(hào)。雖然到目前為止還沒(méi)有捕捉到明確的技術(shù)印跡，但多年來(lái)我們已經(jīng)捕捉到了一些有趣的信號(hào)。其中包括著名的72 s長(zhǎng)的“WOW！”信號(hào)，它是1977年8月15日由美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的大耳朵射電望遠(yuǎn)鏡(Big Ear radio telescope)探測(cè)到的。在加州大學(xué)伯克利分校地外文明搜尋研究中心，突破傾聽(tīng)項(xiàng)目(Breakthrough Listen)在2019年4月和5月觀測(cè)到了“突破傾聽(tīng)候選體1”(BLC1)的無(wú)線電信號(hào)。雖然“WOW！”信號(hào)帶有許多預(yù)期的外星起源的特征，但是之后它再也沒(méi)有被觀測(cè)到。BLC1的信號(hào)則是來(lái)自距離我們最近的比鄰星方向，它的數(shù)據(jù)正在被分析中。

近幾十年來(lái)，該領(lǐng)域的另一個(gè)巨變是系外行星探測(cè)所帶來(lái)的變革。自從1992年發(fā)現(xiàn)最早的兩顆系外行星以來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)利用開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡和其他望遠(yuǎn)鏡令人驚嘆地確認(rèn)了4400多顆圍繞遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星，還有大約同樣數(shù)目的候選行星等待被更深入地研究。系外行星有許多不同的大小和類型，從地外巖石世界到超級(jí)地球、類似海王星的系外行星，再到熱木星等等。平均而言，每顆恒星都有一顆行星，但許多恒星擁有一個(gè)類似于我們太陽(yáng)系的家族。

隨著這些系外行星的發(fā)現(xiàn)，天體生物學(xué)家一直在研究“生命印跡”。類似于技術(shù)印跡，它們是外星世界的生命跡象，無(wú)論是智慧的還是非智慧的。通過(guò)分析系外行星凌星時(shí)所產(chǎn)生的電磁吸收光譜，在光譜中尋找氧氣、甲烷、水蒸氣和臭氧(氧的替代品)等氣體的存在，從而尋找生命印跡。人們已經(jīng)用這種方式搜索過(guò)一些木星大小的系外行星的大氣層，未來(lái)JWST應(yīng)該可以用類似的方式搜索尺寸更小的、類似地球的系外行星。

隨著生物印跡科學(xué)研究的進(jìn)步，天文學(xué)家意識(shí)到也可以在不同波段進(jìn)行類似的對(duì)于技術(shù)印跡的搜尋。不一定是專門(mén)的搜索，他們可以利用與搜索生物印跡(所謂的共生觀測(cè))相同的數(shù)據(jù)，甚至可以利用幾十年前的天文歸檔數(shù)據(jù)。美國(guó)NASA行星科學(xué)家Ravi Kopparapu說(shuō)：“在這部分科學(xué)中，數(shù)據(jù)為王?！泵绹?guó)航天局和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)首次資助了至少三個(gè)技術(shù)印跡領(lǐng)域的項(xiàng)目，并發(fā)放了兩筆額外基金，用于組織兩個(gè)不同的研討會(huì)。

誰(shuí)在那里，我們?cè)趺窗l(fā)現(xiàn)它？

當(dāng)我們尋找智慧生命的跡象時(shí)，真的有人在那里嗎？今天，我們知道22%的類太陽(yáng)恒星在它們的“宜居區(qū)”中擁有一顆地球大小的行星，那里的表面溫度允許液態(tài)水的存在。考慮到銀河系有1000到4000億顆恒星，所以在整個(gè)銀河系中會(huì)存在數(shù)百億顆類地球行星，在它們上面，生命或許已經(jīng)出現(xiàn)并且演化。

但我們能發(fā)現(xiàn)它們嗎？意大利羅馬第二大學(xué)的理論天體物理學(xué)家和天體生物學(xué)家Amedeo Balbi假設(shè)，任何可探測(cè)到的技術(shù)印跡都必須存在于我們過(guò)去的“光錐”(來(lái)自任何單個(gè)事件的光穿過(guò)時(shí)空的路徑)的范圍內(nèi)，因此他也得出了一些簡(jiǎn)單但強(qiáng)有力的結(jié)論。為了能夠接收到信號(hào)，那個(gè)文明就必須在我們的過(guò)去已經(jīng)建立，這樣從那個(gè)文明發(fā)出的光有時(shí)間傳到我們這里。在銀河系的歷史上，只要對(duì)于系外文明的出現(xiàn)時(shí)間沒(méi)有偏好選擇(即它們?cè)阢y河系的歷史上均勻隨機(jī)出現(xiàn))的話，Balbi認(rèn)為，要想探測(cè)到來(lái)自這種文明的信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵因素是，技術(shù)印跡必須存在盡可能長(zhǎng)久——最好是在1億到10億年的尺度上。

在TechnoClimes 2020在線研討會(huì)上，Balbi說(shuō)：“我們不應(yīng)該從文明或物種長(zhǎng)壽的角度來(lái)思考，而應(yīng)該從技術(shù)印跡的持久性來(lái)考慮?！敝劣谟^察策略，他說(shuō)，最好把搜索重點(diǎn)放在幾個(gè)長(zhǎng)期存在的技術(shù)印跡上，而不是大量短暫的技術(shù)印跡上。

多年來(lái)，有很多關(guān)于我們從地球上看到的可能的技術(shù)印跡建議。例如城市夜景燈光、大氣工業(yè)污染、硅基光伏陣列的太陽(yáng)能收集器等，它們會(huì)在行星的反射光上留下印跡。我們可能也會(huì)發(fā)現(xiàn)人造的表面成分，密集的軌道衛(wèi)星星座，戴森球等巨型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的廢熱，當(dāng)它們從恒星前面經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)觀察到奇特的或變暗的物體。另一種極端的可能性是“恒星工程”，在這種情況下，先進(jìn)的文明可能會(huì)以其他令人費(fèi)解的方式改變恒星和其他天體的外觀。

其他指標(biāo)包括無(wú)線電波或激光脈沖等電磁信標(biāo)，甚至是先進(jìn)文明發(fā)射的、朝著我們太陽(yáng)系前進(jìn)的太空探測(cè)器。我們自己已經(jīng)完成了發(fā)射類似太空探測(cè)器，它們是先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)以及旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)探測(cè)器，而旅行者1號(hào)和2號(hào)目前都已經(jīng)進(jìn)入星際空間。這些所謂的人造地外文明是技術(shù)印跡領(lǐng)域的合法部分，盡管有時(shí)候會(huì)被一些荒謬的說(shuō)法所濫用，比如在火星上發(fā)現(xiàn)了一張臉，然而實(shí)際上它只是一塊巖石。

另一種可能性是，在我們的太陽(yáng)系內(nèi)外，或者在柯伊伯帶或奧爾特云中，可能會(huì)存在人造物體，我們可以通過(guò)它們反射的光線來(lái)識(shí)別它們。一個(gè)移動(dòng)的天然物體反射的陽(yáng)光會(huì)按照1/r4的方式變暗，其中r是物體到我們的距離，而一個(gè)移動(dòng)的人工照明的光源只會(huì)按照1/r2的方式變暗，這是一個(gè)可以檢驗(yàn)的差異。

技術(shù)文明可以產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的人工照明，而外星人或許生活在類似于我們城市地區(qū)的密集環(huán)境中。所以有人提出了一種有趣的技術(shù)印跡，那就是當(dāng)行星在其恒星周?chē)\(yùn)動(dòng)時(shí)，用日冕儀遮擋恒星的圖像，尋找處于夜晚一側(cè)行星的城市燈光。假設(shè)在銀河系近鄰的恒星周?chē)嬖谥愃朴诘厍虻男行?，并且它的上面存在著地球上商用的高功率燈光時(shí)，亞利桑那大學(xué)的天文學(xué)家Thomas Beatty研究了通過(guò)直接成像的方式探測(cè)到這種燈光的可能性。據(jù)悉，在距離太陽(yáng)不到10秒差距的范圍內(nèi)，大約有十幾顆潛在的類似宜居類地行星。

Beatty指出，地球上只有0.05%的地區(qū)可以被認(rèn)為是“高度”城市化的(紐約或東京等城市的夜間高峰期照明)，他計(jì)算發(fā)現(xiàn)，就像美國(guó)航天局在即將發(fā)布的天文和天體物理學(xué)十年規(guī)劃(Astro2020)中所講的那樣，兩臺(tái)即將被資助的太空望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到附近M矮星(紅矮星，比太陽(yáng)更冷，因此更暗)周?chē)行撬l(fā)出的這種光，這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡分別是大型紫外光紅外巡天器(LUVOIR)和宜居系外行星成像任務(wù)(HabEx)望遠(yuǎn)鏡，后者包括一個(gè)日冕儀和一個(gè)遮星板飛行器，從而可以直接對(duì)類地行星進(jìn)行成像。

系外行星探測(cè)器。大型紫外/光學(xué)/紅外探測(cè)器(LUVOIR)是美國(guó)航天局提出的一個(gè)多波長(zhǎng)空間天文臺(tái)，可能是發(fā)現(xiàn)技術(shù)印跡的理想設(shè)備。這是美國(guó)航天局的天文和天體物理學(xué)十年規(guī)劃(Astro2020)正在考慮的項(xiàng)目之一

Beatty發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用日冕儀，如果一個(gè)行星表面城市化水平達(dá)到0.4%(8倍的地球城市化水平)至3%的話，可以用100小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間探測(cè)到這些光。如果要探測(cè)到類太陽(yáng)恒星周?chē)男行巧纤l(fā)出的夜間光(因?yàn)轭愄?yáng)恒星更亮，使得探測(cè)更加困難)，城市化程度要達(dá)到10%或更高。Beatty還考慮了“生態(tài)城市”(ecumenopolis)的概念，即一個(gè)全球性的城市。假設(shè)擁有典型的類似于地球的云層覆蓋，從太空看到的大部分光線都是被混凝土和道路所反射，他發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)上面提到的兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在大約50顆臨近恒星的周?chē)綔y(cè)到類似的行星。

可能的信號(hào)？

2015年，行星獵人計(jì)劃的科學(xué)家注意到一顆F型主序恒星的光曲線出現(xiàn)了奇怪的波動(dòng)，這顆恒星距離地球約450秒差距。它引起了專業(yè)天文學(xué)家的注意，其中包括耶魯大學(xué)的Tabetha Boyajian，他探測(cè)到這顆恒星的亮度不規(guī)則地變暗了，最高可達(dá)22%。對(duì)這顆現(xiàn)在被稱為“塔比星”(Tabby′s star)的意想不到的觀測(cè)引發(fā)了許多猜測(cè)，從行星殘骸到地外巨型結(jié)構(gòu)，再到自由的外星衛(wèi)星，最后得出最有可能的原因是空間塵埃。

盡管最終的解釋很平常，但這起事件促使NASA的天文學(xué)家AnnMarie Cody研究苔絲衛(wèi)星(TESS)的數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星自2018年以來(lái)一直在以30分鐘的時(shí)間尺度監(jiān)測(cè)數(shù)千萬(wàn)顆恒星的亮度變化。Cody目前正致力于自動(dòng)搜索TESS的光變曲線，期待發(fā)現(xiàn)一些罕見(jiàn)的事件，如顯著變暗或變亮。

通過(guò)使用100多種不同的統(tǒng)計(jì)方法，她希望區(qū)分普通的異常現(xiàn)象(比如食雙星系統(tǒng))和罕見(jiàn)的異?，F(xiàn)象。后者包括恒星周?chē)难谛俏镔|(zhì)、系外行星表面的太陽(yáng)能電池板、正在收集能量的繞轉(zhuǎn)的巨型結(jié)構(gòu)，或者其他未知的技術(shù)印跡。這類異常最終將被提交給地面望遠(yuǎn)鏡以進(jìn)行更專門(mén)的搜索，包括射電波段的地外文明搜索。

發(fā)現(xiàn)污染成分

另一個(gè)技術(shù)印跡可能是污染物，這是外星生物在技術(shù)發(fā)展的早期階段向他們居住星球的大氣所排放的。事實(shí)上，通過(guò)觀察光譜數(shù)據(jù)，可以用與氧氣和甲烷等生物印跡相同的方式來(lái)識(shí)別大氣中的化學(xué)污染物。

2014年，哈佛大學(xué)的天文學(xué)家Henry Lin和他的同事們?cè)诘厍虼髿鈱又邪l(fā)現(xiàn)了某些化學(xué)污染物，如氯氟烴，它們?cè)贘WST望遠(yuǎn)鏡覆蓋的光譜范圍內(nèi)具有明顯的吸收特征。如果在圍繞白矮星運(yùn)動(dòng)的類地行星的大氣層中存在著這些化學(xué)物質(zhì)，并且它們的濃度是地球大氣含量的10倍，那么在大約一天半的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡就可以探測(cè)到。

另一種被認(rèn)為具有技術(shù)印跡的污染物是NO2，它是車(chē)輛和化石燃料發(fā)電廠燃燒的副產(chǎn)品。在今年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Kopparapu和他的同事們檢查了是否可以在10秒差距的距離內(nèi)從系外行星的大氣層中檢測(cè)到NO2。如果行星無(wú)云遮擋，那么使用擬議的LUVOIR望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)大約400小時(shí)就可以在紅外線波段探測(cè)到類地球的NO2水平。

美國(guó)航天局于2020年6月向紐約羅切斯特大學(xué)的Adam Frank授予了第一筆非無(wú)線電技術(shù)印跡搜索基金，用于建立一個(gè)名為“表征大氣技術(shù)特征”(CATS)的在線光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，其中一半用于表征NO2和氯氟烴的印跡，另外一半用于表征外星表面太陽(yáng)能電池板中礦物反射光線在光譜中留下的印跡。

外星巨型結(jié)構(gòu)

一個(gè)值得注意的技術(shù)印跡是探測(cè)到戴森球——這是一種假想的巨型結(jié)構(gòu)，由弗里曼·戴森于1960年在Science上首次提出。最初構(gòu)想先進(jìn)的外星文明可能會(huì)圍繞其宿主恒星建造一個(gè)中空的殼層，球體將捕獲所有恒星的能量——在我們太陽(yáng)系的情形下，獲取的太陽(yáng)能量將是落在地球上層大氣能量的20億倍。

能量收集設(shè)備。經(jīng)典的戴森球體是一個(gè)完全包圍恒星的“殼層”(左上)。這在機(jī)械上是不穩(wěn)定的，但其他的戴森巨型結(jié)構(gòu)更有可能工作，包括環(huán)形(右上)、氣泡狀(左下)和蜂群狀(右下)

一個(gè)真正的殼層，也許是由一個(gè)系統(tǒng)的行星和小行星組成的，在機(jī)械上是不穩(wěn)定的(戴森也知道這一點(diǎn))，但其巨型結(jié)構(gòu)，如球形的“籠子”、“蜂群”、“氣泡”或“環(huán)”都可以工作。這些結(jié)構(gòu)中的恒星能量收集器可以通過(guò)微波輻射的方式把能量傳輸?shù)叫行潜砻?，不過(guò)這可能會(huì)極大地改變恒星的光譜，產(chǎn)生一個(gè)峰值在紅外的黑體光譜。以我們的太陽(yáng)為例，它是一顆G型主序星，在地球軌道距離處的殼層會(huì)因?yàn)橛酂岙a(chǎn)生一個(gè)溫度大約為300 K的黑體光譜，輻射的峰值波長(zhǎng)為10 μm。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在我們銀河系中，10千秒差距的范圍內(nèi)，環(huán)繞恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的熱戴森球體在紫外、光學(xué)、近紅外和中紅外波段都可以探測(cè)到，這使得目前的儀器，如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的WFC3相機(jī)就可以發(fā)現(xiàn)它。

從1983年發(fā)射的紅外天文衛(wèi)星(IAS)開(kāi)始，我們?cè)阢y河系內(nèi)外進(jìn)行了幾次戴森結(jié)構(gòu)的搜索，不過(guò)還沒(méi)有任何戴森球存在的跡象。

最終，如果外星生物沒(méi)有造訪我們的話，尋找地外生命的證據(jù)將來(lái)自于所收集的大量關(guān)于技術(shù)印跡和生物印跡的數(shù)據(jù)?？枴に_根在1982年給Science的一份“請(qǐng)?jiān)笗?shū)”中寫(xiě)道：“我們一致認(rèn)為，對(duì)外星智慧存在的唯一重大檢驗(yàn)應(yīng)該來(lái)自于實(shí)驗(yàn)。”他還寫(xiě)道：“關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的先驗(yàn)論點(diǎn)不具有任何說(shuō)服力，同時(shí)也不應(yīng)該被用來(lái)替代任何的觀測(cè)計(jì)劃。”他敦促進(jìn)行“協(xié)調(diào)性的、全球范圍的和系統(tǒng)的搜索”。希望在本世紀(jì)接下來(lái)的時(shí)間里，薩根探測(cè)外星文明跡象的設(shè)想能夠被實(shí)現(xiàn)。