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地外文明信号搜寻
沃克
编者按
本文中，一位地球环境演化方面的专家詹姆斯·沃克，将他的目光转向了地球大气之外，思考探测来自地外文明射电信号的可能性。这一理念自1960年开始实验性实施，当时天文学家弗兰克·德雷克用射电望远镜进行了一次搜寻。德雷克提出了一个估计其他星球中智慧文明出现概率的方程。沃克将对宜居行星数量的相关估计与望远镜的探测能力相结合，从而推导出需要多长时间的观测才能找到一个“智慧的”信号。结果令人沮丧：即使对宜居行星产生技术发达的文明的概率进行一个最乐观的估计，找到它们也可能需要超过一千年的时间。 英文
尽管和地外文明交换射电信息的技术已经实现，但即使有通信能力的文明占据着大多数宜居行星，对能支持这样的文明的恒星的成功搜寻也可能将花费超过一千年。 英文
毫无疑问，在星际距离上发送和接收射电信息的技术已经实现了 [1-5] 。因此，如果太阳附近的其他恒星存在拥有类似技术的文明，原则上我们就可以与他们通信。然而，存在一个问题，就是如何在众多的候选体中确定哪颗恒星是这样的家园，即具有潜在的有通信能力的文明 [6-8] 。本文的主题就是关于星际通信的搜寻问题。 英文
即使对潜在有通信能力的文明出现的概率做最乐观的估计，也必须搜寻大量的恒星才能找到一个地外文明。如果我们设 P c 为一个给定恒星拥有通信能力的文明的概率，我们可以写出：
P c = f P HP
(1)
其中 P HP 是围绕这颗恒星的轨道上有一颗宜居行星的概率，而 f 是此行星上存在有通信能力的文明的比例。这个比例包含有通信能力的文明在宜居行星上能进化出来的概率以及有通信能力的文明的平均寿命 [6, 9-11] 。 英文
f 值只能用经验性的方法来估计，但是原则上， P HP 却可以用天体演化学和行星学的知识来估算。例如，多尔 [12] 对不同光谱型的恒星周围存在人类能够生存的行星的概率进行了详细的估算。他得出结论：光谱型为G0到G4的恒星存在宜居行星的概率最大， P HP 达到5.5%；而光谱型F2到K1的恒星有3.7%的可能存在宜居行星；在其他类型的恒星中， P HP 为0。多尔的估计涉及很多假设，而且毫无疑问的是，随着时间发展 P HP 值会被改进，但他得出的值对于现在的目的来说已经足够了。首先，它们表明即使 f 值为1，我们也必须搜寻至少数十颗恒星；其次，我们可以估算出不同恒星的 P HP ，并用来指导我们的搜寻。 英文
解决搜寻问题的一个方法是假设其他文明已经高度发展，这意味着搜寻仅限于“超级文明”，这些“超级文明”能够一直向各方向发射可探测的信号 [5,13] 。我们做不到这样 [14] ，因为发射一个各向同性的、在100光年的范围内可探测的呼叫信号的能量需求大约相当于现在世界总的能量消耗 [2,15] 。我们只能通过使用一台大型射电望远镜将辐射能量集中到一个狭窄的波束中在星际距离发送信号。用若干发射机发送持续的信号给相同数量的目标恒星是可能的，但是要让这个策略有合理的成功机会，发射机的数量必须超过
采用多尔的 P HP 值，这个数应该大于18，因为 f 可能会很小，所以这个数可能比18大得多。 英文
即使有一些星际发射机——实际上没有——向挑选出的一组恒星持续发射信号的方法也不是最优策略。当 f 未知，成功向其他文明发送信号的概率与定期向其发送信号的恒星的数量成正比。为了通过一定程度的努力向尽可能多的恒星发送信号，发射机时间必须被不同目标恒星共享。那么，给一个特定恒星发送信号的频率应该是多少呢？ 英文
冯·赫尔纳 [6] 大体上分析了这个问题，他指出，有必要针对发射机和接收机建立一个优化的搜寻策略，他假设目标文明也会进行同样的分析并得到相同的结论。这里我提出一个策略，以此可以估计成功的概率，至少可以表示为 f 的一个函数。 英文
一个最佳的搜寻策略是应该使用我们和目标文明共享的所有信息。这包括候选恒星的光谱型以及相关的 P HP 值；也包括选取最佳的工作频段使得不可避免的背景噪声在此频段最小 [1–5] ，还要考虑离候选恒星的距离。 英文
最后这个计算结果将给出我们多久向指定恒星发射一次信息的唯一指标。对于一颗距离为 R 的恒星来说，自然重复周期 [8] 为
其中 c 是光速， T 是一个通信信号传送到该恒星后再返回所需的时间。我假设信号发生器每 T 年向一非零 P HP 区域内的所有恒星发送信号。额外的信号发送能力将用来增加搜索范围而不是更频繁的提供通信信号。 英文
尽管对通信信号波长的选择存在很多观点 [1,5] ，但是频率搜索不能完全舍弃，因为星际通信必须要在极窄的波段 [2] 。我将不仔细考虑频率搜索，为简化分析，我把这个任务交给发射机。因此，每 T 年发送的通信信号将缓慢地扫过最优的频谱范围，同时接收机会把搜索限定在某一个单一频率上。 英文
在这样定义的发射机策略下，就可能确定最优的接收机策略，同时也可以评估出成功的概率。从接收机的角度来讲，我们重新定义 P c 为给定恒星拥有一个文明的概率，此文明每 T 年发送通信信号给可能的接收星，波长为接收信号的文明用于监听的波长。这种重新定义给未知参数 f 的定义带来相应的变化，但是不改变已知的概率 P HP 。 英文
如果在搜索开始时，接收机使用时间周期∆τ来接收给定恒星的信号，则它接收到一个呼叫的概率为
P s = P c ∆τ/ T
(3)
因此，搜索成功的概率就是 f P HP / T yr –1 ，这里 P HP / T 依赖于目标恒星的光谱型和距离， f 对所有恒星都相同。因为重复周期 T 随目标恒星的距离线性增加，所以对最近的恒星成功概率最高。使用多尔的图 [17] ，我们发现对半人马座α（南门二）的成功概率为1.3×10 –2 f yr –1 ；对波江座（天苑四）和鲸鱼座（天仓五）成功概率均为1.5×10 –3 f yr –1 。对一颗100光年处的G0型恒星，成功概率为2.7×10 –4 f yr –1 。 英文
但是接收机不应该把所有的时间都放在最近的恒星上。这颗恒星可能不是一个具有通信能力的文明的家园。在接收机投入了 n 个随机分布的接收周期∆τ给一颗特定恒星后，假定那里有一台发射机，那么这台接收机还未能接收一个呼叫的概率是exp(– n Δτ/ T )。因此，下一次搜索该星时成功的概率就是：
P s (τ)= f P HP (∆τ/ T ) exp (–τ/ T )
(4)
其中τ= n ∆τ。 英文
现在，最佳的接收策略已经清楚了。当投入到这颗恒星的每个接收周期Δτ使得（ P H P / T ）exp（–τ/ T ）最大时，成功概率最大。随着搜索的进行，搜索中包含的恒星数量稳步增长，搜索范围内每颗星的τ的增长，瞬时成功概率稳步减小。然而，每次尝试都会为累积的成功概率增加一个最大可能的量。问题是平均需要多少时间，才会成功搜索到地外文明的信号？ 英文
假定单位体积有 N i 颗光谱型i的恒星，令 P HP (i)为每一颗恒星有宜居行星的概率。在投入总时间 t 搜索后，按照上面提到的策略，累积的成功概率是
其中ε是在时刻 t 的瞬时成功率，由
给出。由多尔的表18，
每立方光年，因此
其中 t 的单位为年。 英文
平均来说，当 P s =1或者一次搜索已经进行了
t 0 =1,380 f –4/ 3 yr
(9)
后，我们就能够与地外文明建立联系。对应于一些假定的 f 值的 t 0 值列在表1中。另外也列出了对于这些 f 值，有通信能力的文明间的平均距离。 英文
表1. 对各种文明分布的搜索策略
我们看到，即使对可通信联系的文明出现的频率做最乐观的假设，成功的搜索所需的时间还是很长。当然，严格来说 t 0 是天文望远镜投入到搜索的时间，而不是流逝的总时间。搜索持续的时间反比于接收天文望远镜的数量，因此可以通过增加大量望远镜来缩短。另一种可能是，我所假设的发射机策略是不正确的，更加频繁的呼唤可能是最佳的，比如说每 T 年进行 m 次呼叫。在这种情况下，假如接收文明知道 m 的值，搜索的持续时间与表1中的值有一个1/ m 因子的差别。 英文
综上，结论有些令人失望，如果每个宜居的星球都有可通信联系的文明，那么在距离我们100光年内大约会有50个这样的文明 [18] 。我们掌握着同这众多的其他世界交换信息的技术，只要我们能找到他们。但是，除非我假设的发射机策略是严重错误的，或者宜居行星的数量比多尔推断的多，否则搜寻其他地外文明的困难几乎无法克服。这些情况可能会限制我们搜寻超级文明 [16] 。 英文
本研究部分得到了美国国家航空航天局基金的支持。 英文
（周旻辰 翻译；沈志侠 审稿）