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原文,译者:fwjmath,他的其他译作请见这里这里这里那里

外星人会怎么想?

有外星文明的星球的艺术想象图 来源:David A. Aguilar (CfA)

如果有一个尝试跨越无垠宇宙进行通讯的外星文明,而你是其中的一员,你有什么办法?作为地球人,这个问题似乎很难回答,不过我们可以尽其所能猜一把:你最有可能做的就是向外发送无线电信号,因为它们传播的速度很快——确切地说是以光速行进——而且传播的范围也很广,相对来说也容易发射和接收。另外,你发射的无线电波很有可能是一个窄频带信号,也就是说只在一个频率上发射信号,这种信号容易跟其它频率的信号还有自然产生的噪声区分开来。换句话说,如果你想穿越星际空间进行交流的话,基本上你用的通讯手段跟地球上广泛使用的完全一致:连续窄频带无线电传输。对于在地球上这些距离相对比较短的通讯,这种通讯手段工作良好。难道外星人不会有同样想法么?

也许他们的想法正是这样,至少从这个领域开端到现在,大概半个世纪以来,绝大多数SETI(Search for ExtraTerrestrial Intelligence,搜寻地外文明)领域的研究者都是这样假定的。所以,多年来,主流SETI搜索所瞄准的目标都是这些类型的信号,就像大海捞针,宽频带的宇宙射电噪音就是这个“大海”,而里边的一个清晰干脆的窄频带无线信号就是我们要找的“针”。SETI@home本身就是这个观点的一个典型例子,它拥有的巨大运算能力几乎都投入到了对阿雷西博望远镜搜集的原始信号的处理中,将其分离成一片片数据片段然后进行艰辛的处理,其中某个片段可能就包含了一个窄频带信号。

但他们也可能并不这样想。可能由于各种原因,外星人会选择另一种迥异的信号来进行通讯。例如,他们可能选择的是清晰的宽频带信号,在一个大的频率范围内发送信号,而不是连续的窄频带信号。这些信号也会在背景噪声中凸现出来,但不是因为它们聚集在一个特别的频率上,而是因为它们是非常短促有节奏的能量爆发。为什么外星人可能选择这种与我们大相径庭的方案呢?天知道,我们又不是外星人,也不能想象他们可能要面对的技术选择。我们的主要问题就是要确认这种形式的通讯的可行性,是否如同我们熟悉的窄频带无线电通讯一样可行。另外,如果外星人可能发送这种信号,SETI研究者也应该监视这类信号。

怀着这种想法,SETI@home的首席科学家Dan Wethimer和他带领的团队已经在一种更强大的新程序上努力工作了好几年了。与传统的SETI@home一样,新程序利用的也是阿雷西博射电望远镜巡天时得到的原始数据。跟以前一样,这些数据会被划分成一个个工作单元然后分发给用户来进行处理,然后用户的电脑会将计算结果汇报到SETI@home在伯克利的总部。新程序和之前的程序的区别在于,之前的程序寻找的是清晰的窄频带信号,而新程序寻找的是那些来自遥远星球的短促宽频的能量爆发(也叫做“脉冲”)。为了把它和传统的SETI@home区分开来,它有一个新名字:Astropulse(有人译作“天脉”)。

重建外星信号

“对于短促宽频信号的搜寻与传统的对于窄频带信号的搜寻完全不一样。”SETI@home团队中专门负责编写Astropulse程序的成员Josh Von Korff解释道。传统的SETI@home观察的是在氢原子谱线附近,从1418.75MHz到1421.25MHz那一片无线电频带(注1),但是程序不会一下子检查整段长2.5MHz的频带,而是会将它分成可以细达0.07 Hz的薄片,然后在每个频率范围中搜寻窄频带信号。挑战在于,我们如何通过计算来抵消地球和信号来源相对运动引起的多普勒频移(注2),从而重建原始的信号。由于这种相对运动难以确定,程序会尝试遍历各种可能的情况,用覆盖了很大范围的多个不同频移率进行计算,尝试搜寻讯号。

Astropulse程序观察的也是那片相同的频带,但它并不需要抵消信号的多普勒漂移。这是因为Astropulse搜寻的是那些能覆盖整个频带的信号——也就是总共2.5Mhz 的范围——比传统的SETI@home程序要搜寻的最窄的频带要宽三千万倍。信号的任何多普勒频移无论如何都不会移出这个频带,而且也肯定会是整个信号的一个组成部分。这样的话,我们就不需要像对待窄频带信号那样去抵消频移了。

但尽管Astropulse无需关注多普勒频移,它必须面对另一个在传统的SETI@home中未曾出现过的问题:不同频率的电磁波在太空中传播速度的差异。我们在学校里学到,无线电信号都是以光速行进的。但是只有在完全的真空中,这个结论才是正确的。在介质中传播的时,高频率的电磁波会比低频率的稍微快那么一丁点。这就是我们在光学中熟知的色散现象,也就是白光通过棱镜或者水之后会分成七色光的原因。这些现象的成因,都是因为不同颜色的光频率不同,通过介质的时候速度的差异所导致的。

初看起来这种现象似乎也不会对穿越空间的外星电波造成什么影响。光兴许会被水和棱镜影响,但是星际空间本身不就是空的吗?很可惜,不是这样的。跟我们地球的环境相比,星际空间当然是空空荡荡的,但是它离真正的真空还差得远。星际空间中到处都有氢原子不停地飘来荡去,而且密度因地而异,其中一些还被电离了,变成了游离的质子和电子。外星无线电信号要通过的就是由这些原子、离子和自由电子合在一起组成的星际介质。


阿雷西博天文台,波多黎各
这就是我们收集SETI@home所需数据的地方。这个直径300米(1000英尺)的世界上最大的射电望远镜正面临由于经费问题而关闭的危险。行星协会正在努力奋斗尝试保存这个设施。
来源:NAIC-阿雷西博天文台,隶属NSF。

由于传统的SETI@home程序一次只搜寻一片窄频带当中的信号,所以上面所说的现象不会导致什么问题,因为整个信号频率相差不大,传播的速度比较一致。但是Astropulse搜寻的宽频带信号分布在一个长2.5 MHz的频率区间中。我们可以把这种宽频带信号想象成同时在很多很多个连续的频率上发送同一个信号。由于不同频率的信号传播的速度稍有不同,高频部分会比低频部分早一点到达地球。这就意味着,本来在出发的时候强烈短促的宽频带信号在到达地球的过程中会逐渐地被拖成几毫秒的长度。我们不会看到清晰的脉冲,而整个传输的信号也很可能被淹没在背景噪声中。我们将这种效应称为“拖尾效应”。

Astropulse的第一个任务就是逆转拖尾效应,重建原始的信号。为了完成这个任务,Astropulse运用了与传统SETI@home一样的技术:快速傅立叶变换算法(FFT)。FFT将原始数据分成很多窄频带的薄片,然后将很多这样的薄片按照时间顺序排在一起。对应频率最低的薄片会跟频率稍高而时间稍早的薄片黏在一起,如此重复排列,直到黏上频率最高到达时间最早的薄片。如果原本在这个时间点上有一个强烈的脉冲的话,整个薄片的组合就会将这个信号还原出来。

但这种方法也有严重的缺陷。为了恰当地重建信号,我们必须知道信号的最高频部分和最低频部分到达的精确时间差,也就是说整个信号被拖出来的“尾巴”有多长。比如说如果一个信号的“尾巴”是4毫秒,但是Astropulse只把相隔1微秒的最高频部分和最低频部分结合起来看的话,这个信号就“溜走”了。

重建宽频带信号的唯一办法就是:按照正确的时间差,把它在所有频率上的组成部分组合起来。这个时间差依赖于信号在星际介质中传播的路程:路程越长,时间差越大。不幸的是,我们对于外星文明到底住在什么地方毫无概念,当然更不知道他们的信号要走多远才能到达我们这里。如果不知道信号的“尾巴”有多长,那么信号的重建工作又从何谈起呢?

Astropulse对于这个问题的解决方法就是在一个大范围内尝试多种可能的时间差。对于每个时间差,Astropulse都要重新处理整个工作包,将各种频率的窄频带信号按照一定的时间差组合起来,然后再在其中寻找可能的宽频带信号。最短的时间差是 0.4 毫秒,而最长的是它的 10 倍——4 毫秒。在两个极端之间,Astropulse 需要对每个工作包进行接近15000次的处理!

多短的信号才算短?

要把所有数据从头到尾处理这么多次,我们需要极其大量的计算能力,这对于绝大多数科研项目来说都是不可想象的。只有在SETI@home这个联结了数百万台志愿者提供的空闲计算机的平台上,我们才能以如此高的精度对所有数据进行如此深入的分析。但这还不够,我们仍然有可能对那些外星人发送的宽频带脉冲视而不见,因为我们不知道它们的长度。

举个例子,我们假设外星人发送了一个长度为10毫秒的信号,但是我们只检测那些长1毫秒的。这样的话,我们就不能把信号的所有部分都结合起来,也就看不到外太空脉冲那明显的尖峰了。反过来的情况也差不多:如果我们只关注相对来说较长的信号,而真正收到的信号相对较短的话,这个信号就很有可能被淹没在背景噪声当中,永远不能被探测到了。所以,如果我们希望找到一个持续一定时间的信号的话,我们在搜索的时候指定的时间就必须与之一致——或者至少比较接近。

不幸的是,正如我们不知道外星人的信号要到地球需要跑多少路,我们也不知道他们的信号会持续多长时间。这样的话,Astropulse就只能故技重施,一个一个尝试可能的持续时间:从最短的0.4毫秒开始,用10种可能的持续时间对信号进行分析,每个持续时间依次是前一个的两倍(0.4 毫秒,0.8 毫秒,1.6 毫秒,如此类推)。对于每一种可能的持续时间,Astropulse都要重新处理对应每个时间差的数据。

总结一下:Astropulse要对整段数据重复进行大概15000次的处理,在每一次处理中都有一个不同的“拖尾时间”作为参数。在每次处理后,它还需要对处理后的数据进行十次检查,每一次对应一个不同的持续时间。对于别的项目来说,这项工作需要的计算能力的确是不可想象的。

关于外星人和黑洞

作为SETI@home的一部分,Astropulse首先是对于外太空智慧生命通讯的一项搜索。然而,SETI@home的研究人员也承认,他们也说不准Astropulse会发现些什么,毕竟以往并没有出现过这样对宽频带信号的系统的全天搜索,所以科学家们当然完全不知道会发现些什么。Astropulse发现的会是从外星文明来的一缕难以捕捉的信号,还是一个天然的宽频射电源?

Dan Werthimer和他的团队慎重地考虑了这个问题,举出了几个Astropulse可能探测到的信号的可能天然来源。其中一种可能就是脉冲星——不停发出强大电磁波的旋转中子星。已知的脉冲星很少发出短于100毫秒的信号,不过Astropulse也有可能发现一类新的脉冲星,它们发出的信号短促得多。

另一种更诡异的可能性是,Astropulse可能会探测到晚年黑洞爆炸时的“垂死挣扎”。天体物理学家Martin Rees建立了一个理论,在这个理论当中,通过霍金辐射爆炸的黑洞会在所有电磁波段同时产生一次强大而又短促的爆发,这种爆发有可能被Astropulse探测到。当然,Astropulse探测到的东西可能跟上面所提到的完全不同。在探测到之前谁也说不准那个新发现会是什么,但是上面所说的估计就是最有可能的了。


阿雷西博安装的多波束接收器
安装在Gregorian穹顶的多波束接收器。图片蒙阿雷西博天文台惠赠。

和所有SETI@home的数据一样,Astropulse的数据是由在阿雷西博L波段传送阵列上的多波束接收器所接收的。这些数据会被记录下来,然后划分成每个8MB的工作包,发送到世界各地志愿者的计算机上进行处理。由于Astropulse的程序会在志愿者的计算机上自动下载数据,所以志愿者在整个搜索过程中无需操心。

现在Astropulse已经在开始搜索外太空来的短促的宽频带无线电信号了。它会发现些什么呢?会不会是我们探寻已久的外星文明信号呢?还是新的脉冲星、黑洞或者甚至是没人见过的新奇天体呢?我们还不知道。不过,就像四个世纪前伽利略将他的望远镜指向夜空那样,现在Astropulse正在以一种前所未有的新方式窥视太空。谁又知道它会发现什么叹为观止的事物呢?

注1:这个频率大概是大家日常收听的调频电台(FM)发射的无线电波频率的十几倍。

注2:多普勒频移,又称多普勒效应,说的是波源和接收者之间的相对运动可能对接收者接收到的波的频率产生影响的一种现象。平时如果遇到警车或者救护车的话,在它驶近的时候警笛声音会比它远离时要高亢一些,这就是多普勒效应的一个例子。因为无线电波也是波的一种,所以也会有这种效应。

【小词典】

窄频带信号:整个信号都在同一个频率上的信号,比如说调频电台发射的信号,需要知道信号所处的频率才能接收到。

宽频带信号:整个信号分布在一个频率范围的信号,比如说白炽灯……

希望参加SETI@home,寻找外星文明的朋友请到www.equn.com/forum,那里有详尽的新手指南。

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23 Responses to “[小红猪]Astropulse:寻找外星文明的新鲜视角”

    • mysky说道:

      中国实验室制造出人工黑洞
      现在南京东南大学毫米波国家安全实验室的钱澄和崔铁军教授已经在实验室里创造出了世界第一个人工黑洞,真正的黑洞。http://science.solidot.org/article.pl?sid=09/10/15/1045212&from=rss,感觉有些不敢相信呢。

  1. Ent说道:

    抢午夜党的沙发~

  2. 麦小芽说道:

    阿雷西博天文台 这个壮观~~~~

  3. [...] [小红猪]Astropulse:寻找外星文明的新鲜视角 [...]

  4. 小鸡看流星说道:

    也许外星人根本已经不用信号这种通讯了,也许会用一种人类还位子的方法进行通讯所以就无法接收到咯

  5. follow-id说道:

    我觉得传统做法一直在寻找的是"类人"外星人,他们无论是生存环境还是科技水平都以现在人类的眼界为限。

  6. Ether说道:

    超时空接触里面搜到的是连续窄带无线电信号么?

    • easywood说道:

      不。。。
      它正是所谓的天脉。。不现实。。这需要太强大的发射能量了,比如像Astroplus的预期之一----脉冲星。当然这不影响我喜欢这部电影。电影不错,朱迪更不错。。。剧中的外星人太强大而且文明程度太高了他们做得到也说不定。。。
      我个人倾向于“水洞”里的频率。《超时空接触》拍摄时SETI还没有at home,但分布式seti@home首先推出的恰恰是窄带。。试想想旅行者-2所用的发射办法吧。。。这是地球人的做法。。。

  7. labrix说道:

    “高频部分会比低频部分早一点到达地球”

    不是应该晚一点么?但是早一点又跟后面”黏薄片“一致,费解

  8. 孤竹牧狼人说道:

    这不是fwjmath同学孜孜不倦的动力所在么.......

  9. 黑色南极洲说道:

    与其参加seti还不如试试别的项目计划,什么艾滋病啊,癌症啊,水稻啊,基因组之类的,觉得seti根本就是在浪费时间。
    就如楼上几位所说的,如果外星人的文明科技不是类人,如果外星人本来就不用这种方式,那我们根本就找不到。
    就算找到了,又有什么意义?我们过不去,如果外星人比我们低级,找到了也没用,如果外星人比我们高级,那他们自然会找到我们,而且找到外星人或者被外星人找到还不一定是好事。

    World Community Grid 和 Climateprediction.net才是应该付出更多人力物力的项目。

    • fwjmath说道:

      每个人都有自己的价值观,所以选择不同的项目也是正常的。有的人可能比较关注实在,所以CPDN和WCG还有FAH之类会比较合他们的口味;有的人比较喜欢实现自己的梦想,比如说找外星人之类的,这时候SETI可能就比较适合他们。

      我个人来说,我偏向于更“没用”的数学类项目,因为我是学数学的。Astropulse好歹也有机会找到新的天文现象,数学类项目却是对现实毫无用处的。但是我比较喜欢这些数学类项目,这只是一种个人的选择。

      当然,你这样子劝大家不要参加SETI也是你的自由,而我不听从你的劝告也是我的自由。

      其实这个问题在分布式计算论坛已经讨论过好多好多次了,翻来覆去也就是那些,真的感兴趣的话(尽管我个人实在对这种讨论兴趣不大),可以找来看看。

  10. [...] 請看《Astropulse:尋找外星文明的新鮮視角》 [...]

  11. Abyssx说道:

    人家用的都是安塞波超距通信=w=

    • Metaverse说道:

      量子纠缠之类的超距作用……?窃以为能跨越恒星际尺度的三类文明,对时空本质的认识一定超越了我们今天的理论,光速不再是屏障。。。

      当然,这个仅仅是猜想。。。

  12. wxmgba说道:

    说不定老外(外星人)早以波动的形态来地球旅游过不知道多少个团了

  13. ws8631009说道:

    我是新手,纯属外行.一次偶然的机会,在某杂志上看到SETI@home,就加入了,想贡献一点点.看到中国的Team China团队人最多,就加入这团队,加入中国的团队,说话都方便吧.可是加入SETI@home后,每天看到的SETI@home工作图形都差不多相同,我知道大多数情况下都是相同的,但万一有异常情况出现,我怎么知道?连基本的异常我们都无从知道,是还是会挫伤新手的热情呀?有哪个大虾可以告诉我,什么是异常情况??

  14. 小字说道:

    不错

  15. 于能说道:

    喔塞

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