“天眼”：外星文明“回信”的邮箱

Freelee

科幻片中提到地球人发现外星文明时，总会出现一件经典“道具”：拥有“大锅”一般的碟片（碟片中央伸出长长天线）的大型建筑物。“大锅”的标准名称叫“射电望远镜”。天文学家用射电望远镜收获了大量宝贵的天文发现，但文艺作品将它和外星人扯上关系，也并非信口雌黄。寻找地外文明痕迹，同样是射电望远镜的任务。

宇宙背景辉光支持“大爆炸说”

天文学起源于观星。我们抬头看到的星星，实际上是天体发出的光。考虑到光本身是一种电磁波，既然天体能发光，理论上能发出其他不同波长的电磁波。早在20世纪初，大名鼎鼎的爱迪生、普朗克都曾主张，太阳能发射无线电波。

基于这一理论，科学家相信，除了通过可见光观察天体外，无线电波也是一种手段。1931年，美国贝尔电话公司的工程师卡尔·央斯基偶然发现了来自太空的无线电波。

卡尔·央斯基的工作是利用巨大的定向天线，研究越洋无线电话受干扰的情况。其间有一种杂音，每隔23小时56分钟就会达到高峰。这个时间间隔，刚好是地球的恒星日的长度——即地球相对于宇宙的自转时间。所以央斯基怀疑，信号来自银河系中心。

因为贝尔公司没有天文研究的需求，央斯基未能采用更高配置的设备进一步观察外太空信号。不过，这一发现确定了天文观察的新方向。1937年，无线电工程师格罗特·雷伯架设了一台9米直径的抛物面碟形无线电望远镜。第一台用于天文观察的射电望远镜诞生，射电天文学这一天文学分支也迎来起点。

射电天文学将天文学的发展推向新的高度。从电磁波谱来看，可见光的波长范围很窄，在360～860纳米。而无线电波波长覆盖从几厘米到数百米的范围。范围越大，内容越多。通过可见光观察星体，显然观察范围十分有限。而无线电波中隐藏的天文秘密，要丰富得多。

20世纪60年代，天文学界收获极其重要的四大发现，分别为脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子。这都是在射电望远镜支持下的发现。其中，宇宙微波背景辐射对大众来说最为熟悉。在通俗科学介绍中，它一般以“大爆炸说”的形式来呈现。

天文学界认为，宇宙起源于一个奇点的急剧扩张，在扩张过程中，宇宙从均匀、高热的状态，持续稀释、降温。1948年，美国物理学家伽莫夫提出“热大爆炸”假设，对大爆炸过程进行了更细致的猜想。其中一个猜想是，现在的宇宙沐浴于早期高温宇宙的残留辐射中。

用光学望远镜来看，天体之间的空间一片漆黑，看不到残留辐射的痕迹。但1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊用射电望远镜，发现了漆黑之下微弱的背景辉光。宇宙微波背景辐射的庐山真面目首次被揭开，伽莫夫的“热大爆炸”假说也由此被印证。“大爆炸说”从起初对宇宙起源的一种可能解释，变成现时唯一一套支持当前观察成果和数据的理论。

从“做大”到“布阵”

射电望远镜的贡献巨大，但无线电波波长过长，却在早期阻碍了射电天文学发展。

天文望远镜的观察能力，由望远镜的口径和观察的波长来决定。口径越大、波长越短，观察的分辨率越高。可见光波长为纳米级别，所以光学望远镜用较小口径就能得到较高分辨率的内容。而无线电波波长最少是可见光的几万倍，这意味着即使射电望远镜的口径是光学望远镜的几百倍，前者观察内容的清晰度也与后者差距甚远。

1962年，英国物理学家马丁·赖尔利用干涉原理，发明了综合孔径射电望远镜，通过架设射电望远镜阵列，大大提高了射电望远镜的分辨率。

从射电天文学发展的角度来看，把一台单口径射电望远镜做大，以及打造射电望远镜阵列，是并行不悖的两条研究道路。单口径望远镜的优点在于单刀直入，减少信号被噪音干扰的可能，后期数据处理更加方便。但单口径的观察分辨率受限，而且口径越大，成本越高。

阵列的优点则在于观察分辨率高，同等口径下成本低于单口径望远镜，而且可以通过控制干涉方式，自定义观察分辨率和观察频率。不过，阵列收到噪音的概率高于单口径望远镜，后期处理数据比较花功夫。

单口径望远镜和阵列有不同的使用侧重点。对于一些微弱的信号，单口径望远镜捕捉效果更好，能避免信号被噪音淹没。而如果要对较强的信号进行精细观察，阵列是更好的选择。

《超时空接触》封面那些抢眼的射电望远镜，正是著名的“甚大天线阵”（VLA）。VLA位于美国新墨西哥州沙漠中。27面直径25米的天线，按“Y”字形排列，架设在铁轨上，组合起来的最长基线达36公里，是目前世界上最大的综合口径射电望远镜。

更有野心的阵列规划是“平方公里阵”（SKA）。SKA由全球十多个国家计划合资建造（中国是发起国之一），由位于澳大利亚西部的低频阵列和位于南非的中频阵列两部分组成。“平方公里”的名字，来自全部反射镜面对宇宙信号的接收面积，总计达1平方公里。这样SKA将拥有史上最高的射电望远镜图像分辨率，灵敏度也是任何现存射电望远镜的50倍以上。

由于计划规模巨大，涉及多国合作，原定2010年建造、2020年落成的SKA，目前最新时间表是2021年才动工。

单口径望远镜方面，美国也曾是领先者。位于波多黎各岛的阿雷西博望远镜，坐落于一个火山口，建成于1934年，口径305米，后扩建为350米。遗憾的是，阿雷西博在2020年先后遭遇辅助钢缆断裂砸破反射盘、主承重钢缆断裂等意外。美国国家科学基金会遂宣布其退役，并计划将其拆除。

建于中国贵州的500米口径球面射电望远镜（FAST），2016年取代了阿雷西博的最大单口径望远镜之地位。FAST在2020年1月通过国家验收，正式投入运行，与阿雷西博并称地球两大“天眼”。阿雷西博退役后，FAST成为“独眼”，其意义更加重大。

5万年后的回信

“天眼”问天，成绩斐然。自启用以来，单是脉冲星，FAST就发现了超过240颗。此外，其还有望在短时期内实现纳赫兹的引力波探测，捕捉宇宙大爆炸时期的原初引力波。

阿雷西博退役，天文界损失了一件重要的观察工具。而FAST以全球一起探索宇宙的奥秘、构建人类命运共同体为愿景，将向全球科学家开放使用权限。这有助于保证即使美国“天眼”闭上，全人类的宇宙探索事业也不会被耽误。

在人类探索宇宙的过程中，“我們是唯一的吗？”始终是一个既浪漫又严肃的提问。射电望远镜也一直是被寄予厚望的解谜工具。

美国天文学家弗兰克·德雷克开创了用严肃手段搜索外星文明的先河。他在求学时期就已经认为，正如地球人的雷达、广播、电视等技术会将无线电波发射到太空，假如宇宙其他地方拥有一定的文明程度，也会留下使用无线电的痕迹。

德雷克在1960年首次尝试寻找外星文明信号，而他的主要工具，是美国国家射电天文台的第一台射电望远镜：塔特尔望远镜。

塔特尔望远镜将目标对准波江座ε星（天苑四）和鲸鱼座τ星（天仓五），虽然没有任何收获，但这不影响搜索计划的全面铺开。日后，天文学界这种类似的努力被称为“SETI”——即“搜索外星生命”的英文词组的首字母缩写。

德雷克后来成为阿雷西博升级改造的主导人。1974年，阿雷西博完成第一次重大升级后，德雷克的SETI工作再迈出重要一步：他编制了一条带有1679个二进制数字的无线电信息，按照特定情况排列后，它将显示出一张图片，其中暗藏了十进制计数法、人类DNA构造、太阳系情况等内容。

这条“阿雷西博信息”指向距离地球2.5万光年的球状星团M13。假如M13存在文明，他们的“回信”最快要5万年后才能返回地球。但假如沿途还有其他文明，也许他们的回复会更快来到。

即使外星文明在2021年就发出“回信”，届时阿雷西博这个“邮箱”也已经不在了。幸好FAST能替代起接受反馈的使命。FAST望远镜安装了专门用于地外文明搜索的后端设备，能排除天体信号和地球人工信号的干扰，针对性地收集窄带候选信号。那些外星文明的微弱线索，可能就藏在其中。

（岐岐摘自《看世界》2021年第1期）