AstroPulse:搜寻外星人的新途径

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AstroPulse: A Fresh Look at the Skies in Search of E.T.

AstroPulse:搜寻外星人的新途径

日期:2008 年 8月 27 日

作者:Amir Alexander

<资料来源:The Planetary Society>

目录

外星人是怎么想的

艺术家描绘的一个遥远的星球上居住的外星文明
Credit: David A. Aguilar (CfA)

如果你是一个外星人尝试在广无边际的太空进行通信,那要如何去做呢?不作为一个外星人是很难回答这个问题,但你可以作最好的想象:你最有可能会发出无线电信号,因为它的速度非常快 - 以光速移动 - 并且容易传播。此外,你的无线电信号可能会是一个窄带信号,以区别于邻近频带中其他的自然杂波。换句话说,我们在地球上很多短距离通讯所使用的连续窄带无线电传输办法,当你想要跨越星际空间进行通信,你几乎肯定会使用完全相同的技术。外星人是否会一样呢?


也许他们会。因为那至少是半个世纪前这个领域的大部分 SETI 研究者所认为的。因此,大多数 SETI 多年来都集中在寻找这种信号 - 一个犹如大海捞针的被掩埋于宽带宇宙噪声里清晰的干脆的窄带信号。SETI@home 就是在这方面的典型,它致力于将其巨大的处理能力从阿雷西博天文台接收到的宇宙背景噪声中分离出窄带信号可能被隐藏的薄带。


不过也许他们不会这么做。也许外星人由于他们自己的原因,会用一个非常不同的信号来进行通讯。举例来说,他们可能会选择发送明显的宽带脉冲以代替一个连续的窄带信号。这种会在背景噪声中引人注意的并不是因为他们明确的集中于某一特定波长,而是因为他们在很短的点状爆发能量。为何外星人会选择这中方法,而我们自己的呢?谁知道,毕竟我们不是外星人,不能想象到他们所面对的技术选择。主要是能承认这种形式的通讯是可能的,正如我们所熟悉的窄带无线电广播是可行的。如果外星人发送这种型号,那么 SETI 研究者就应该密切关注它。


以这种想法为中心,SETI@home 的首席科学家 Dan Wethimer 和他的团队通过几年的努力,发展出 SETI@home 的一种新能力。如传统的 SETI@home,新的程序同样适用来自阿雷西博天文台所收集的原始信号。也和以前一样,数据会被分割成任务单元并发送到用户来进行处理,然后将其结果发回给 SETI@home 位于伯克利分校的总部。而不同的是,这次并不是寻找明确的窄带信号,软件会搜寻来自恒星的极短的宽频带扫射,或“脉冲”。为了区分它与传统的 SETI@home,开发团队向新的项目起了一个独特的名字:Astropulse。


重建外星信号

“对于短促的宽频带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 的成员 Josh Von Korff 这样解释。传统的 SETI@home 观察的是在氢原子谱线附近从 1418.75 MHz 到 1421.25 MHz 那一片无线电频带(译注:这个频率大概是大家日常收听的调频电台即 FM 发射的无线电波频率的十几倍),但是程序不会一下子把整段长 2.5 MHz 的频带一下子检查完毕,而是会将它分成可以细达 0.07 Hz 的薄片然后在其中搜寻窄带信号。这时候,挑战就在于通过运算抵消地球和信号来源相对运动引起的多普勒频移(译注: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。)从而重建原始的信号。由于这种相对运动很难确定,程序会尝试跑遍各种可能情况,用大范围的多个不同频移率来尝试搜寻讯号。


Astropulse 程序观察的也是那条相同的 2.5 MHz 宽的在氢原子谱线旁边的频带,但它并不会对多普勒漂移进行任何抵消的工作。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 2.5 Mhz 的范围——比传统的 SETI@home 程序搜寻的最薄的频带要厚三千万倍。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 不需要关注多普勒频移,它必须面对另一个在传统的 SETI@home 中未曾出现过的问题,那就是不同频率的电磁波在太空中传播的速度是有一点不同的。我们在学校里边知道了无线电信号都是以光速行进的,但是这句话只有在完全的真空中才是完全正确的。在介质中传播的时候,高频率的电磁波会比低频率的稍微快一点,哪怕只是一点点。在光学里边这就是我们熟知的色散现象,也就是说白光通过棱镜或者水之后会分成七色光的原因。造成这种现象的原因就是因为不同颜色的光频率不同,所以通过介质的时候速度也有一点点分别。


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,答案是“不是”。跟我们地球的环境相比,星际空间当然是相当空空荡荡的,但是它跟真正的真空还差得远,因为星际空间中到处自由自在地漂浮着由一个质子和一个电子组成的氢原子,而且不同的地方氢原子的密度是不同的。有许多这样的质子和电子还被电离了,所以还有不少这样的被称为离子的带电粒子在飘来荡去。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 程序只搜寻一片窄频带当中的信号,所以上面所说的现象不是问题,因为整个信号的频率都聚集在一个很窄的范围里边,所以整个信号传播的速度是一致的,能够同时到达地球。但是 Astropulse 搜寻的是分布在一个长 2.5 MHz 的频率区间的宽频带信号。我们可以把这种信号想象成在很多很多个窄频带上同时的播报同一个信号的组合。但是由于不同频率的信号传播的速度稍有不同,比较高频的部分会比低频的部分早一点到达地球。这就意味着本来在出发的时候强烈而一致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。


Astropulse 的第一个任务就是通过逆转拖尾效应来重建原始的信号。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。对应波长最长的薄片会与结合在比它波长稍短而时间比它稍早的薄片后面,如此重复排列直到波长最短的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重建出原来的强烈而又清晰的信号。


但这种方法也有严重的缺陷。为了适当地用这种方法重建信号,我们必须精确地知道信号的最高频部分和最低频部分到达的时间差。比如说如果一个信号的实际到达时间差是 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,这个信号就不能被检测到了。


重建宽频带信号的唯一办法就是按照正确的时间差把它的所有窄频带组成部分组合起来。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。但是不幸的是我们对于外星文明到底住在什么地方毫无概念,当然也不知道他们的信号到达我们这里要走过多少距离。这样的话我们就无法知道信号的准确时间差,也不能重建外星人传播的信号了。


Astropulse 对于这个问题的解决方法就是一个接一个地尝试一个大范围内的时间差。对于每个时间差 Astropulse 都要重新处理整个工作包来把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。在这个范围中间,Astropulse 需要对每个工作包处理接近 15000 次!


短的信号有多长?

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 这个联结了数百万在他们的计算机上运行分析程序的志愿者的平台上,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 毫秒的信号。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。上面说了这么多就是为了说明,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。


很不走运的是,正如我们不知道外星人在哪里他们的信号需要传多远,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,然后一共检测 10 种可能的持续时间,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时间差作为参数。在每一次处理后它还需要将处理后的数据对应不同的持续时间检查 10 次。对于其它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 首先主要是作为对于外太空的智慧生命通讯的一项搜索工作。然而 SETI@home 的研究人员也很快承认他们也说不准 Astropulse 会发现些什么,毕竟在以往并没有出现过这样系统的对于宽频带信号的全天搜索,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带信号源?


Dan Werthimer 和他的团队慎重地思考了这个问题,而且也举出了几个 Astropulse 可能探测到的信号的可能天然来源。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能发出短得多的信号的脉冲星。


更诡异的一种可能是 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 也有可能探测到与上面所说的完全不同的东西,在探测到之前谁也说不准那会是什么,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 8M 的工作包来发送到世界各地的志愿者进行计算。由于 Astropulse 的程序会在志愿者的计算机上自动下载数据,所以志愿者在整个宽频带搜索过程中无需操心。


第一个 Astropulse 的工作包在 2008 年 8 月送出,总体上用户不会察觉到 SETI@home 在他们计算机上的运行方式有什么显著的改变。8M 的 Astropulse 工作包的确比传统的 SETI@home 工作包要大,而且它们需要进行更大量的分析。这样导致的结果就是用户可能会注意到这些工作包需要更长的时间来进行处理。与此同时传统的 SETI@home 工作包也会与 Astropulse 的工作包一起被发放,像以前那样在用户的机器上运行。


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、黑洞或者甚至是我们一点概念也没有的新奇自然现象呢?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?


【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……

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