比鄰星b與其所屬的三星系統(tǒng)想像圖。（圖源：ESO/M. Kornmesser）

比鄰星是距離太陽系最近的恒星，也是《流浪地球》中攜帶全人類逃離太陽系的小破球流浪2500年后的歸宿。有趣的是，比鄰星還有個別名“半人馬座α星C”，是半人馬座三星系統(tǒng)的組成成員，也是《三體》中讓人類畏懼的高等三體文明的發(fā)源地。想象一下，摩拳擦掌準備大舉入侵地球的三體人，卻與地球擦肩而過，眼睜睜看著小破球直奔他們的母星而去，大概面面相覷間，唯有淚千行吧。

撰文 | 鄭曉晨

責編 | 李珊珊

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1979年秋，在某個太陽初升的清晨，紅岸工程的參與者葉文潔按下了大興安嶺雷達峰基地的那顆紅色按鈕，向半人馬座α星的三體文明發(fā)送了地球的位置信息。自此，潘多拉的魔盒開啟，人類開始了與高階文明抗爭的心酸史，這是著名科幻小說——《三體》中令人唏噓不已的地球往事，卻也能得窺人類在探索地外文明過程中的某些心路歷程。

然而，為什么要去尋找地外文明？

與之密切相關(guān)的是另一個橫跨古今的難題——人類是否是宇宙中的唯一？（“Are we alone?”）

當我們意識到自己賴以生存的地球并非太陽系的核心，而帶來光明的主星太陽也并非宇宙的中心，我們便不得不承認自己或許并沒有那么特殊， 人類文明沒有理由是宇宙中的唯一文明。

或許是為了消解寂寥宇宙中的孤獨感，再或者如同《三體》中的葉文潔們所秉持的信仰——借助一個更高階的文明解決人類的困局。在茫茫宇宙間，人類渴望找到另一個文明的痕跡。

上世紀50年代，諾貝爾獎得主、著名物理學家費米（E. Fermi）先生曾提出了一句震耳發(fā)聵的問題：

Where are They？

1

被動等待：紅岸 ｜｜ 綠岸

在探尋地外生命的旅程中，紅岸、伊文思，或許各有原型。

很長一段時間以來，人類對于地外文明的好奇心，對于人類文明的唯一性探討似乎集中在哲學、神學領(lǐng)域，屬于淺嘗輒止的小眾話題。直到上世紀初，無線電問世。相較于其它波段的電磁波，比如可見光和紅外線，無線電波有望在鮮受干擾的情況下，跨越星際間的距離，傳遞光年之外的訊息。自此，地外文明搜尋終于迎來了科學的曙光。1960年，美國射電天文學家德雷克（F. D. Drake），首次在位于綠岸的國家射電天文臺，利用了一臺26米的射電望遠鏡，監(jiān)聽了兩顆臨近恒星——天倉五（Tan Ceti）和天苑四（Epsilon Eridani）的無線電信號，開創(chuàng)了搜尋地外文明（SETI）計劃的先河。德雷克甚至還估算了銀河系中地外文明的數(shù)目，即為著名的德雷克方程（綠岸公式）。

德雷克方程。具體可表述為：銀河系中地外文明的數(shù)目=銀河系每年誕生的恒星數(shù)量*該恒星擁有行星的概率*具備生命誕生條件的行星數(shù)量*生命誕生的概率*該生命進化成智慧生命的概率*擁有與其他星球通信的技術(shù)概率*該技術(shù)文明能夠存續(xù)的時間。（圖源Astronomy: Roen Kelly）

德雷克方程考慮了人類能夠成功搜尋地外文明的幾個大前提，但卻并不能很好地量化外星文明的數(shù)量，畢竟其中很多參數(shù)，尤其是涉及生命誕生與進化的概率，文明存續(xù)的時間等問題，我們尚且一無所知。不過，這并不妨礙我們暢想宇宙中能夠孕育生命的星球普遍存在，畢竟僅僅銀河系內(nèi)就大約有百億顆（量級估計）恒星。費米先生也曾推測，銀河系內(nèi)有將近百萬個文明。要知道，整個可觀宇宙中的星系數(shù)目同樣高達百億量級。一方面是可能大量存在的高等文明，一方面是人類長期一無所獲的觀測現(xiàn)實，這也是費米悖論的由來，“Where are they？”

不得不說，人類的好奇心，往往是支撐科學探索的最初也是最強驅(qū)動力。SETI計劃后續(xù)又開展了多輪嘗試。比如，1995年到2004年間，鳳凰計劃 （Project Phoenix) 上馬，該工程綜合利用了當時世界上主要的大型射電望遠鏡，包括位于澳大利亞的帕克斯（Parkes）64米射電望遠鏡，和美國綠岸國家射電天文臺的42.7米射電望遠鏡，以及波多黎各島的305米阿雷西博（Arecibo）望遠鏡?；私觊g，在1.2-3GHz頻段范圍內(nèi)針對近鄰（約）200光年內(nèi)的800多顆類太陽恒星進行了窄帶觀測【1】。

2015年，科技界億萬富豪尤里·米爾納（Yuri Milner）發(fā)起了史上最大的SETI項目——突破傾聽（Breakthrough Listen）項目，旨在掃描宇宙中地外文明存在的跡象。該項目計劃十年內(nèi)，利用直徑100米的美國綠岸望遠鏡（GBT）等國際大型觀測設(shè)備，監(jiān)聽銀河系以及100個近鄰星系中的100萬顆恒星，等待外星來電【2】。

雖然，目前依然沒有檢測到任何外源性信號，不過在過去幾十年間，地外文明探索顯然已經(jīng)與射電天文學觀測緊密捆綁。

除了靜待外星文明的訊息外，人類也曾多次嘗試向外太空喊話。比如，上世紀60年代，前蘇聯(lián)利用無線電發(fā)射器向金星發(fā)送了摩爾斯電碼；70年代，美國宇航局向太陽系邊緣發(fā)射了攜帶唱片等地球信息的先驅(qū)者10號、11號和旅行者1號、2號，4顆探測器。

到了1974年，德雷克和薩根（C. Sagan）甚至提議向武仙座星系團（M13）發(fā)射一組包含數(shù)字、DNA、太陽系天體以及阿雷西博望遠鏡圖案等信息的編碼，即為阿雷西博信息。不過，這些地球訊息大概2.5萬年后才能抵達目的地M13，即使M13中孕育了智慧生命，樂觀估計，人類收到其回復(fù)也是5萬年之后的事情了。

2

另辟蹊徑：宜居星球 ｜｜ 地外生命

至少，尋找宜居星球的主動出擊或許更有針對性，也更安全。

無論是監(jiān)聽還是喊話，人類對于地外生命的大（zuo）膽（si）探索一直沒有取得關(guān)鍵性進展， 直到1995年，兩位瑞士天文學家首次在一顆類太陽恒星周圍探測到了一顆太陽系外的行星【3】，自此，拉開了系外行星探測的序幕，也為地外文明的搜尋工作提供了一個全新的思路。一直以來，我們未能收到來自其它文明的反饋，或許受限于信號傳遞效率與宇宙的深度和廣度之間的矛盾，而系外行星探測則化被動等待為主動出擊，在茫茫宇宙間，搜尋太陽系外的宜居行星，探訪地外文明的可能發(fā)源地。2009年，開普勒太空望遠鏡（Kepler）升空，開啟了探索系外行星的新紀元。隨著開普勒望遠鏡的巨大成功，系外行星探測如火如荼，各類行星探測手段和關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟。

目前，探測系外行星的主要方法是凌星法，即通過行星遮擋引發(fā)的恒星光度的周期性變化來確定行星的大小和公轉(zhuǎn)周期。這是目前最為有效的系外行星探測手段，貢獻了（約）70%的已知行星。

凌星法之外，系外行星的探測手段還包括：視向速度法、微引力透鏡法、直接成像法和天體測量法、脈沖星計時法等。短短二十多年間，在銀河系內(nèi)，我們已經(jīng)探知超過了5000顆系外行星。這些行星各具特色，又可細分為熱木星、溫木星、冷木星、溫海王星、超級地球和類地行星等類別（圖2），不過，大都與太陽系內(nèi)的行星迥異。

已探知的系外行星分布圖。不同顏色表針行星的探測手段，其中綠點對應(yīng)凌星法，藍點對應(yīng)視向速度法，黃點對應(yīng)微引力透鏡法。（圖源：改編自【8】中圖）

在這些已探知的系外行星中，有近六十顆行星恰好位于其主星的宜居帶（habitable zone）內(nèi)。所謂宜居帶，指的是恒星附近，適合生命存續(xù)的行星軌道范圍。處于宜居帶內(nèi)的行星，其表面（平均）溫度應(yīng)該能夠保有液態(tài)水，就如同地球的軌道正好位于金星與火星之間，恰恰幸運地落在太陽系的宜居帶內(nèi)，不太冷也不太熱，才有可能成為人類文明誕生的搖籃。

已探知的處于宜居帶內(nèi)的系外行星。（圖源：改編自【7】中圖）

這些宜居行星候選體，甫一公布就點燃了公眾對于地外文明的熱情與想象。比如，2016年，天文學家在距離我們4.2光年的比鄰星（Proxima Centauri）周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆與地球類似的宜居行星——比鄰星b，上面可能有水有生命，當時引發(fā)了極大的轟動。

要知道，比鄰星是距離太陽系最近的恒星，也是《流浪地球》中攜帶全人類逃離太陽系的小破球，流浪2500年后的歸宿。有趣的是，比鄰星還有個別名半人馬座α星C，是半人馬座三星系統(tǒng)的組成成員，也是《三體》中讓人類畏懼的高等三體文明的發(fā)源地。想象一下，摩拳擦掌準備大舉入侵地球的三體人，卻與地球擦肩而過，眼睜睜看著小破球直奔他們的母星而去，大概面面相覷間，唯有淚千行吧。

2017年，比利時天文學家在距地球4.2光年左右的紅矮星Trappist-1附近，發(fā)現(xiàn)了七顆行星，其中有三顆都處于宜居帶中，令人備受鼓舞。

不過，目前人類已知的這些宜居行星候選體，卻與能孕育外星生命的地外文明搖籃相去甚遠。有些候選體個頭太大（超級地球），往往因為引力原因遍布火山巖漿，同時行星表層包裹著一層厚重的富氫大氣，相當不利于生命的誕生與演化；有些宜居候選體與地球質(zhì)量相當，卻大多圍繞著一顆小質(zhì)量的紅矮星。比如前述赫赫有名的比鄰星，就是一顆只有12%太陽質(zhì)量的紅矮星。紅矮星的宜居帶非常接近主星，以比鄰星b為例，其公轉(zhuǎn)周期僅為11天。換而言之，紅矮星附近的宜居行星往往會感受到強烈的潮汐作用，甚至與主星間產(chǎn)生潮汐鎖定，類似于地月系統(tǒng)。陷入潮汐鎖定的行星，其內(nèi)部活動和大氣環(huán)流都將受到嚴重影響，行星環(huán)境將與地球迥然不同。而且，更為致命的是，紅矮星比太陽活躍（10-1000倍），大多都有較強的耀斑活動，可電離乃至剝離行星大氣，破壞行星的宜居性。

3

光年之外的文明，路在何方？

尋找地外宜居行星，也是尋找我們的第二家園。

基于對地球上生命誕生與演化的思考，那些環(huán)繞在相對安靜的類太陽恒星周圍，處于宜居帶中，與地球大小、質(zhì)量相當?shù)念惖匦行遣抛钣锌赡艹蔀樵杏觯ㄅc人類文明類似的）地外文明的新大陸，也最有可能成為人類在太陽系之外的第二家園。

尋找這些宇宙間的新大陸，我們需要基于行星的軌道周期、大小（半徑）、質(zhì)量和大氣成分這四個維度重點挑選候選者。

作為Kepler衛(wèi)星的繼任者，2018年發(fā)射升空的凌星系外行星巡天望遠鏡（TESS）將肩負重任。與前輩Kepler衛(wèi)星連續(xù)多年定點監(jiān)測不同，TESS將開啟全天的巡天模式，對距離地球300光年范圍內(nèi)的明亮恒星周圍的行星人口進行大規(guī)模普查，有望挑選出幾十顆與地球（質(zhì)量、大?。┫喈?shù)念惖匦行恰?/p>

系外行星搜尋工作的部分貢獻者。（圖源：NASA）

由中國遴選出的候選空間發(fā)射任務(wù)中，地球2.0空間巡天（ET）項目也將采用凌星法掃描銀河系內(nèi)的類地行星。有望通過4年的巡天，觀測（約）3萬顆系外行星，包括（約）5000顆類地行星，并從中篩選出10-20顆真正的宜居行星。另外，ET衛(wèi)星還將首創(chuàng)性地加載1臺微引力透鏡望遠鏡，利用微引力透鏡引發(fā)的光增強特性，探測那些遠離主星的冷行星，甚至于那些已被主星拋棄，孑然一身的流浪行星（包括流浪地球）【4，5，6，7，8】。

ET衛(wèi)星藝術(shù)圖。（圖源【7】）

不過，通過空間凌星觀測挑選的宜居行星，還需要通過地面大型望遠鏡（如30米望遠鏡TMT）的高精度后隨光譜觀測證認并確定行星質(zhì)量。這就要提到系外行星探測的另一把利劍——視向速度法。視向速度法可以測量由于行星擾動產(chǎn)生的恒星光譜頻移，限制行星的最低質(zhì)量，再結(jié)合凌星法提供的大小信息，即可預(yù)估候選體的密度區(qū)間，進而推斷行星的表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以確定其宜居性。

此外，通過地面和空間大型望遠鏡測量凌星時的透射光譜，還可以進一步獲取行星的大氣成分，尋找生命的痕跡。2021年底升空的詹姆斯韋布太空望遠鏡（JWST，原名Webb）就是其中的佼佼者。作為目前世界上最大的空間紅外望遠鏡（6.5米），JWST以其超強的圖像分辨能力、超深的試場、超精光譜解析能力傲視群雄。去年，JWST牛刀小試，向世界展示了一顆名為HIP 65426b的系外行星的直接圖像，未來必將極大助力宜居行星的篩選。

CHES藝術(shù)圖。（圖源【10】）

另一個具有獨特原創(chuàng)性技術(shù)路線的中國方案是近鄰宜居行星巡天計劃（CHES），該方案另辟蹊徑，計劃采用天體測量的方法，以微角秒量級的觀測精度，搜尋太陽系附近32光年范圍內(nèi)100顆類太陽恒星附近的宜居行星。天體測量法即測量行星導致的恒星位置偏移，需要極高的觀測精度，但卻可直接測量出行星的質(zhì)量，獲取行星的全部動力學參數(shù), 構(gòu)建三維軌道信息【9，10】。

在這場宜居行星的搜尋盛宴中，參與者眾多，有行星獵手之稱的系外行星特征探測衛(wèi)星（CHEOPS）專研行星參數(shù)；有即將發(fā)射的PLATO衛(wèi)星將專注于類太陽恒星周圍宜居行星的形成條件；包括中國的覓音計劃將通過直接成像法證認太陽系近鄰宜居行星并評估其宜居性，等等。

各類探測方法百家爭鳴百花齊放，彼此補充互相配合，一起為光年之外的文明家園添磚加瓦。

擔綱世界最大單口徑射電望遠鏡的中國天眼——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），自不會缺席這場狂歡。自2020年1月正式開放運行后，F(xiàn)AST的科學目標之一即包含地外文明的搜尋。作為同波段望遠鏡中的個中翹楚，相較于過去數(shù)十年漫無目的的等待，F(xiàn)AST將針對性監(jiān)聽TESS等望遠鏡公布的宜居行星，有望接收到地外行星上的類地文明，甚至是高階文明的訊息【11】。

4

尋訪外星人，一場和平的會晤，還是潘多拉魔盒？

對地外文明的好奇心會害死貓么？

相較于避難所的概念，當下，無論是尋找另一個宜居星球也罷，還是探訪地外文明的蹤跡也罷，更多是出于人類本源的好奇心，對于自身唯一性的追根究底。不過，不確定性如影隨形。

早在2010年，霍金就曾表達過他的擔憂，他認為，與其試圖在宇宙中尋找地外生命并與之交流，人類最好竭盡所能避免任何可能接觸，頗有點黑暗森林理論的意思。正如同《三體》中人類文明的掙扎與覆滅，恰恰來自源于自己按下的那顆紅色按鈕。

然而，最后，霍金的好奇心大概還是戰(zhàn)勝了對未知文明的恐懼，其于2015年參與了搜尋地外文明的突破聆聽計劃，正如同人類還是義無反顧地一頭扎進找尋地外生命的洪流中。

相比于霍金的自相矛盾，地外文明搜尋計劃的擁躉從始至終地堅信外星文明的文明程度，認為天外來客的到訪，應(yīng)該是一場賓主盡歡的會面，一場增進了解的盛會。在地球漫長的演化史中，外星文明甚至可能已經(jīng)發(fā)生過多番降臨。

在這些支持者看來，如果外星人能夠造訪地球，意味著他們屬于擁有強大技術(shù)的高階文明，他們將不需要奴隸、食物甚至殖民掠奪其他星球。

大概，哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸時，美洲原住民也是這樣天真吧。

參考文獻：

1.https://www./seti-institute/project/details/project-phoenix

2.https:///initiative/1

3，.Mayor, M., and Queloz, D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature, 1995, 378, 355

4.Ge, J., Zhang, H., Zang, W.C. et al., (2022a). ET White Paper: To Find the First Earth 2.0, arXiv:2206.06693, https:///abs/2206.06693;

5. Ge, J., Zhang, H., Deng, H., Howell, S.B., the ET team, (2022b), The ET mission to search for Earth 6.0s, The Innovation, doi: https:///10.1016/j.xinn.2022.100271

7.Ge, J., Zhang H. Deng, H.P., et al. (2022c), "The Earth 2.0 Space Mission for Detecting Earth-like Planets around Solar Type Stars", Proc. SPIE, 12180-41, in press.

8.葛健、張輝、鄧洪平《用ET尋找宇宙中的“E.T.們” | 賽先生天文》

9.葛健《尋找第二個地球和生命 |墨子沙龍》

10.Ji, J., et al. CHES: a space-borne astrometric mission for the detection of habitable planets of the nearby solar-type stars. Research in Astronomy and Astrophysics, 2022, https:///10.1088/1674-4527/ac77e4

11.季江徽《天涯若比鄰：尋找“地球2.0” | 賽先生天文》

12.劉博洋《“中國天眼”的地外文明搜索計劃，靠譜度幾何？| 賽先生》