寻找外星巨厦

2021-09-26刘安立

大自然探索 2021年7期

刘安立

有这样一种说法：任何名副其实的外星文明，都有可能拆解它的相邻行星来获取建造巨大电厂所需的材料。这种说法看似极端离谱，但为了让一些资源枯竭的外星文明得以延续和扩张，建造环绕其母恒星运行的巨大电厂以满足日益增长的电需求，的确又不能排除这种极其惊人的说法成立的可能性。

外星人居住的戴森球社区（想象图）

戴森球的最早提出者——物理学家戴森

正由于此，一些科学家已经在致力于寻找这种被他们称为“外星巨厦”的巨大电厂。但透过现有的红外望远镜看去，外星巨厦可能就像黑色的煤块。这种寻找始于1960年。当时，美国物理学家戴森提议把寻找外星巨厦作为一种方法来寻找外星人。60年后，在致力于寻找外星人的科学家当中，寻找外星巨厦（即“戴森球”）的人依然不多，这是因为倾听外星无线电信号仍然是寻找外星人的主要方法之一。

不过，一些科学家还是在坚持寻找外星巨大工程的证据。尤其是，他们已经在科学的意义上寻找戴森球。现在，他们通过仔细阅读迄今为止最精确的宇宙地图，寻找那些可能被巨大发电面板群环绕的恒星，并且把这些恒星与那些发出天然红外信号的恒星区分开。他们已经缩小了目标范围，甚至已经开始认真思考最后一大障碍：怎样区分天然红外信号与外星巨厦所发出的红外信号？

外星超巨大电厂（想象图）

目前寻找外星人的主要方式仍是探测外星无线电信号

看似简单其实很难

戴森当初的提议很粗略。他在一篇只有一页纸的论文里提出，如果存在高度发达的外星文明，他们就可能利用母恒星的星光，在极其巨大的规模上发电，而这会给我们留下观测线索。自那以后，一些科学家深化了戴森的这个论点。例如，一位科学家在2014年的一篇论文里写道：能源供应充足、持续时间长久的外星文明，其能源需求的满足可能几乎完全依赖恒星星光。

科学家认为，从工程学的角度看，建造环绕恒星的巨大电厂并无严重的技术障碍。也就是说，与戴森球有关的物理学原理并非怪异。不过，戴森球很可能并不是一个单一的超巨大球状建筑，而是可能由一系列环绕恒星的巨大发电面板组成，并且这些发电面板只遮挡了恒星的很小一部分。

不管戴森球是什么样子，它们都会具有从地球上看去很明显的观测线索。戴森球必然会发光发热，这样一来它们想隐藏自己的话会很困难。事实上，寻找戴森球的科学家只需做出一个重要假定：恒星星光把戴森球加热到一定的温度，这一温度高于太空背景温度。所有温暖物体都会发出红外线。外星巨厦如果真实存在，就会产生巨量红外线。外星巨厦会把入射的星光有效处理成红外线发出去，这样的红外线数量远远超过没有被外星巨厦环绕的恒星所发出的天然红外线数量。

戴森球网络（3D模型）

1960年，戴森认为外星巨厦会很显眼，理由是很强的红外線源在太空中很罕见。1983年发射的太空望远镜“红外天文卫星”，首次在红外波长频段对宇宙进行正规调查。问题是，红外天文卫星发现宇宙中充满辐射红外线的天体：其中一些是比太阳更大更亮的恒星;另一些是被气体和尘埃云环绕的恒星，这些云被加热而辐射红外线，看上去就像是戴森球发出的红外线。也就是说，宇宙中超巨量红外线源的存在，导致寻找戴森球的难度比科学家预料的难度大得多。

红外天文望远镜（想象图）

真的存在外星超级文明吗？戴森球有助于给出答案。不过，寻找戴森球的难度很大（想象图）

戴森球会发出光和热，这就是寻找戴森球的理论依据

光谱研究带来启示

供职于美国费米国立加速器实验室的粒子物理学家卡里根，在2009年进行了一场具有创新性的巡天观测。当时，他仔细研究了来自红外天文卫星的光谱数据。与棱镜一样，分光镜会根据组分波长把来自一个光源的光细分开，从而揭示光源的性质。卡里根利用分光镜，在红外天文卫星的探测数据中识别了为数不多的一些恒星，这些恒星的光谱指征表明它们可能被戴森球环绕。

分光镜

其中一颗恒星看起来希望最大。然而，科学家最终未能把它与一类常见恒星——红巨星区分开。红巨星老迈、明亮，发出大量红外线。更糟糕的是，它们经常被尘埃笼罩，因此它们的模糊程度与戴森球的模糊程度相仿。卡里根未发现这颗恒星有尘埃迹象，但这只足以说明它可能是一颗不常见的、未被尘埃笼罩的红巨星，而不足以说明它周围有戴森球。

不过，这一研究具有启示意义。研究表明，要把戴森球与具有类似光谱指征的天然现象区分开是多么困难。这样的许多天然现象都与恒星年龄有关。例如，新生恒星形成于稠密的尘埃和气体云内部，而古老恒星可能喷出碳尘埃稠密层，它看起来就像是戴森球。对于寻找戴森球的科学家来说，就像模拟戴森球的自然现象难以全部罗列。也就是说，要想证实看起来像是外星巨厦的东西究竟是外星人所为还是非同寻常的天体物理现象，真是难上加难。

瑞典科学家扎克里森正在领导迄今最大的戴森球寻找项目。他们面临的挑战正是要剔除模仿者，而他们已经想到了该怎么办。虽然红外天文卫星在它升空的时期具有革命性，它却不能告诉我们它探测到的红外线源头距离我们多远，因为红外天文卫星只测量亮度，而不测量距离。一颗在红外线波长看起来明亮的恒星也许只是距离我们近，而不是发出明亮红外线的远方戴森球。反过来，一颗恒星看起来亮度暗，很可能是因为它距离我们远，而不是因为虽然它距离我们近，但它被戴森球遮掩。卡里根意识到，通过测量我们与戴森球候选者之间的距离，有助于确定候选者身份。

红巨星及其附近的行星（想象图）

盖亚望远镜探索宇宙（想象图）

距离也有助于识别原本就不太可能被尘埃笼罩的恒星。我们与一颗恒星之间的距离可被用来推断这颗恒星的固有亮度，而恒星亮度与恒星年龄有关。例如，像红巨星这样的老迈恒星就在明亮地燃烧。年龄能揭示尘埃的存在——很年轻或很古老的恒星更可能被尘埃笼罩。扎克里森团队意识到，根据这些关系可以识别中年的主序星，而主序星容易与被尘埃笼罩的恒星区分开。

最近发布的由欧洲空间局盖亚空间望远镜（简称盖亚）获得的数据，让戴森球寻找者得以缩小搜寻范围。盖亚发射于2013年，其任务是测量我们与银河系内外超过10亿颗恒星之间的距离。在此过程中，盖亚辨识了寻找外星人的科学家渴望找寻的主序星，而它们最不可能是被尘埃笼罩的恒星。盖亚探测数据一共分三批发布，其中最后一批发布于2020年12月。扎克里森团队感兴趣的正是主序星。

新的搜寻任重道远

新型空间望远镜寻找戴森球（想象图）

扎克里森采用盖亚数据的首批研究结果于2018年发布。他的团队所寻找的恒星的可见亮度都太弱，与它们和我们之间的距离不匹配（换句话说，它们距离我们相对近，因此它们的亮度不该这么弱），这意味着它们可能被遮挡。其中，距离由盖亚数据算出，亮度数据则通过地面望远镜获得。問题在于，光谱数据的采集需要花费大量时间，而盖亚在这方面的帮助不大，那么通过这种方法寻找戴森球的效率自然也不高。

现在，扎克里森等人正在试验一种新方法，它能让他们搜索比之前多得多的恒星。这种新方法，就是合并盖亚与宽视场红外巡天探测器（简称魏斯）的探测数据。作为红外天文卫星的强力继承者，魏斯于2009年升空。扎克里森等人聚焦的是由盖亚识别、无尘埃环绕的主序星，尤其是红外线亮度超过预计的恒星，而不是梳理每颗恒星的全部光谱数据。不过，虽然这些恒星是主序星，但它们的红外线亮度并非很高。

扎克里森等人的首要目标，是估计银河系中戴森球的可能普遍程度。为此，他们对盖亚和魏斯识别的每颗主序星进行调查：如果其中有恒星被戴森球环绕，那么恒星的一些部分就会在不同时间被戴森球遮挡，因此恒星的整体红外辐射情况会有所变化，并且由多个戴森球组成的巨大球团产热更多，所发出的红外线肯定也更多。扎克里森团队把这类辐射指征与银河系中恒星的实际辐射情况进行对比，看指征匹配的恒星有多少。通过这种方法，他们估算了对恒星有不同遮挡率的各类潜在戴森球的普遍程度。

科学家已经在思考区分戴森球和卫星的办法（想象图）

行星状星云很容易被误作为戴森球（想象图）

初步估算结果于2020年发布，其中包括：对恒星遮挡率为90%的戴森球，看来只出现在银河系中最多一万分之一的恒星周围。这看来可作为一种指导原则，但对这些恒星样本中一部分的深入分析表明，这些恒星当中有一些根本就不是主序星，更不用说它们被戴森球环绕了。难道盖亚探测数据不准确？实际上，盖亚是被双星系统和行星状星云等天体“骗”了——这些天体看上去的距离可能比实際距离更近或更远。但一些科学家相信，通过对盖亚数据的更精细分析，这样的干扰信号可以被剔除。

下一步，是对其中最有希望的对象（但其身份实际上有许多种可能性）进行核实。方法之一是对每颗最有希望的恒星的光谱信息进行仔细鉴别，从而能比较肯定地推断恒星是否被尘埃环绕，以及尘埃的性质。例如，如果一颗恒星被一种常见的尘埃——多环芳香烃尘埃环绕，那么紫外线会被吸收和在特定的红外波长再次辐射。如果观测到这些波长的光数量更多，就能知道有多环芳香烃尘埃存在。

很关键的是，如果许多波长的光均衡分布，就意味着并无尘埃环绕，那么这样的恒星就有可能被戴森球环绕，这是由于单个戴森球或戴森球群在光谱上很均衡。

然而，要想确定一颗恒星是被戴森球环绕的话，需要排除的可能性实在太多。其实，在寻找外星生命方面，各类技术都不具有确定性，这当然是一个大问题。但扎克里森相信，他正在主导的这项针对性很强的搜寻计划最终能发现至少100颗，也可能多达1000颗候选恒星，然后分析其中每颗恒星的多余红外线是由自然原因（其中包括很多种原因）造成还是由戴森球造成。当然，实际需要分析的恒星数量远远不止1000颗，也远远不止1万颗。

科学家希望，后续的光谱观测将能提供在戴森球寻找方面许多未解问题的答案，包括候选恒星的形态、温度和物质构成，以及是否有尘埃环绕。如果戴森球寻找者能获得即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的宝贵观测时段，那么有助于提高这些问题的答案精确度。不过，一旦寻找戴森球的科学家发现一颗可能有戴森球环绕的恒星，他们就需要向该望远镜团队给出足够的理由，才可能得到该望远镜的观测时间。

詹姆斯·韦伯空间望远镜可能将参与对戴森球的搜索（想象图）

但就算是最好的光谱数据，也不能一锤定音地断定候选恒星确实是被戴森球环绕的。没有任何波长能明确表明信号由外星人发出。要想确定是否有外星巨厦环绕一颗恒星，唯一办法是侦测来自于疑似外星巨厦的外星无线电信号。扎克里森团队计划把他们确定的疑似附近有戴森球存在的行星名录交给寻找外星无线电信号的团队，甚至还需要把该名录交给寻找外星人的所有科学家。

也有这种可能：我们可能将实际上看得见外星巨厦，而不是必须依赖红外信号推测它的存在。通过合并多部望远镜的探测数据，干涉仪能提高数据解析度。干涉仪已被证明能拍摄遥远恒星系统的惊人图像。位于智利北部的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列干涉仪，已经以高解析度揭示了环绕附近恒星的天然性巨大结构，例如在行星形成后余下的残骸盘。

早期仪器只能把这些巨大结构辨析为模糊团块。而有了这个干涉仪阵列，就能辨识比木星环大数千倍、由岩石组成的巨大带状残骸盘。但戴森球是否看上去很特别，因而容易辨认？这很难说，毕竟科学家直到现在对戴森球的模样也只能进行猜测。

扎克里森等人最近提出，寻找戴森球的技术已经基本成熟，这方面的最大障碍是缺乏资金投入。这种局面可能将改观，一些官方机构已表示将投资寻找非外星人无线电信号的外星人技术指征，包括系外行星（位于太阳系之外的行星）表面的太阳能发电面板阵列。

在寻找戴森球方面，科学家深知挑战之巨大，而且在今后相当长时间里都一样。但随着科学家知道的能遮挡恒星的天然机制越来越多，他们最终排除天然机制、找到戴森球的可能性也越来越大。

新的干涉仪阵列将加入对戴森球的搜寻