1802年，年輕的德國數(shù)學家高斯(Carl Friedrich Gauss)提出了一種讓未來火星人知道我們地球人類存在的方法：在西伯利亞森林中開墾一大片土地，種上小麥，然后創(chuàng)造出一種類似畢達哥拉斯定理(譯者注：即勾股定理)的圖案。大約80年后，Lowell Observatory天文臺的創(chuàng)始人，天文學家Percival Lowell支持在火星上發(fā)現(xiàn)了運河的觀點，他建議在撒哈拉沙漠挖掘我們自己的運河，在運河里裝滿石油并點燃它們，從而吸引火星居民的注意。

雖然這兩個想法都沒有付諸實踐，但它們都是“技術印跡”的例子：作為過去或現(xiàn)在技術活動存在的跡象，指出了先進行星文明的存在。這樣的搜尋聽起來像是科幻小說，但在過去的幾年里，天文學家們一直在制定技術印跡搜尋的計劃，這些印跡可能會被下一代太空望遠鏡看到，比如被即將于12月發(fā)射的詹姆斯·韋布太空望遠鏡(James Webb Space Telescope，JWST)看到。

搜尋天空

過去的60年中，射電天文學家一直在將他們越來越精密的望遠鏡對準天空，尋找可能來自外星智慧生命的信號。雖然到目前為止還沒有捕捉到明確的技術印跡，但多年來我們已經(jīng)捕捉到了一些有趣的信號。其中包括著名的72 s長的“WOW！”信號，它是1977年8月15日由美國俄亥俄州立大學的大耳朵射電望遠鏡(Big Ear radio telescope)探測到的。在加州大學伯克利分校地外文明搜尋研究中心，突破傾聽項目(Breakthrough Listen)在2019年4月和5月觀測到了“突破傾聽候選體1”(BLC1)的無線電信號。雖然“WOW！”信號帶有許多預期的外星起源的特征，但是之后它再也沒有被觀測到。BLC1的信號則是來自距離我們最近的比鄰星方向，它的數(shù)據(jù)正在被分析中。

近幾十年來，該領域的另一個巨變是系外行星探測所帶來的變革。自從1992年發(fā)現(xiàn)最早的兩顆系外行星以來，天文學家已經(jīng)利用開普勒太空望遠鏡和其他望遠鏡令人驚嘆地確認了4400多顆圍繞遙遠恒星運轉(zhuǎn)的系外行星，還有大約同樣數(shù)目的候選行星等待被更深入地研究。系外行星有許多不同的大小和類型，從地外巖石世界到超級地球、類似海王星的系外行星，再到熱木星等等。平均而言，每顆恒星都有一顆行星，但許多恒星擁有一個類似于我們太陽系的家族。

隨著這些系外行星的發(fā)現(xiàn)，天體生物學家一直在研究“生命印跡”。類似于技術印跡，它們是外星世界的生命跡象，無論是智慧的還是非智慧的。通過分析系外行星凌星時所產(chǎn)生的電磁吸收光譜，在光譜中尋找氧氣、甲烷、水蒸氣和臭氧(氧的替代品)等氣體的存在，從而尋找生命印跡。人們已經(jīng)用這種方式搜索過一些木星大小的系外行星的大氣層，未來JWST應該可以用類似的方式搜索尺寸更小的、類似地球的系外行星。

隨著生物印跡科學研究的進步，天文學家意識到也可以在不同波段進行類似的對于技術印跡的搜尋。不一定是專門的搜索，他們可以利用與搜索生物印跡(所謂的共生觀測)相同的數(shù)據(jù)，甚至可以利用幾十年前的天文歸檔數(shù)據(jù)。美國NASA行星科學家Ravi Kopparapu說：“在這部分科學中，數(shù)據(jù)為王?！泵绹教炀趾兔绹鴩铱茖W基金委員會首次資助了至少三個技術印跡領域的項目，并發(fā)放了兩筆額外基金，用于組織兩個不同的研討會。

誰在那里，我們怎么發(fā)現(xiàn)它？

當我們尋找智慧生命的跡象時，真的有人在那里嗎？今天，我們知道22%的類太陽恒星在它們的“宜居區(qū)”中擁有一顆地球大小的行星，那里的表面溫度允許液態(tài)水的存在?？紤]到銀河系有1000到4000億顆恒星，所以在整個銀河系中會存在數(shù)百億顆類地球行星，在它們上面，生命或許已經(jīng)出現(xiàn)并且演化。

但我們能發(fā)現(xiàn)它們嗎？意大利羅馬第二大學的理論天體物理學家和天體生物學家Amedeo Balbi假設，任何可探測到的技術印跡都必須存在于我們過去的“光錐”(來自任何單個事件的光穿過時空的路徑)的范圍內(nèi)，因此他也得出了一些簡單但強有力的結(jié)論。為了能夠接收到信號，那個文明就必須在我們的過去已經(jīng)建立，這樣從那個文明發(fā)出的光有時間傳到我們這里。在銀河系的歷史上，只要對于系外文明的出現(xiàn)時間沒有偏好選擇(即它們在銀河系的歷史上均勻隨機出現(xiàn))的話，Balbi認為，要想探測到來自這種文明的信號的一個關鍵因素是，技術印跡必須存在盡可能長久——最好是在1億到10億年的尺度上。

在TechnoClimes 2020在線研討會上，Balbi說：“我們不應該從文明或物種長壽的角度來思考，而應該從技術印跡的持久性來考慮?！敝劣谟^察策略，他說，最好把搜索重點放在幾個長期存在的技術印跡上，而不是大量短暫的技術印跡上。

多年來，有很多關于我們從地球上看到的可能的技術印跡建議。例如城市夜景燈光、大氣工業(yè)污染、硅基光伏陣列的太陽能收集器等，它們會在行星的反射光上留下印跡。我們可能也會發(fā)現(xiàn)人造的表面成分，密集的軌道衛(wèi)星星座，戴森球等巨型結(jié)構產(chǎn)生的廢熱，當它們從恒星前面經(jīng)過時，會觀察到奇特的或變暗的物體。另一種極端的可能性是“恒星工程”，在這種情況下，先進的文明可能會以其他令人費解的方式改變恒星和其他天體的外觀。

其他指標包括無線電波或激光脈沖等電磁信標，甚至是先進文明發(fā)射的、朝著我們太陽系前進的太空探測器。我們自己已經(jīng)完成了發(fā)射類似太空探測器，它們是先驅(qū)者10號和11號以及旅行者1號和旅行者2號探測器，而旅行者1號和2號目前都已經(jīng)進入星際空間。這些所謂的人造地外文明是技術印跡領域的合法部分，盡管有時候會被一些荒謬的說法所濫用，比如在火星上發(fā)現(xiàn)了一張臉，然而實際上它只是一塊巖石。

另一種可能性是，在我們的太陽系內(nèi)外，或者在柯伊伯帶或奧爾特云中，可能會存在人造物體，我們可以通過它們反射的光線來識別它們。一個移動的天然物體反射的陽光會按照1/r4的方式變暗，其中r是物體到我們的距離，而一個移動的人工照明的光源只會按照1/r2的方式變暗，這是一個可以檢驗的差異。

技術文明可以產(chǎn)生相當數(shù)量的人工照明，而外星人或許生活在類似于我們城市地區(qū)的密集環(huán)境中。所以有人提出了一種有趣的技術印跡，那就是當行星在其恒星周圍運動時，用日冕儀遮擋恒星的圖像，尋找處于夜晚一側(cè)行星的城市燈光。假設在銀河系近鄰的恒星周圍存在著類似于地球的行星，并且它的上面存在著地球上商用的高功率燈光時，亞利桑那大學的天文學家Thomas Beatty研究了通過直接成像的方式探測到這種燈光的可能性。據(jù)悉，在距離太陽不到10秒差距的范圍內(nèi)，大約有十幾顆潛在的類似宜居類地行星。

Beatty指出，地球上只有0.05%的地區(qū)可以被認為是“高度”城市化的(紐約或東京等城市的夜間高峰期照明)，他計算發(fā)現(xiàn)，就像美國航天局在即將發(fā)布的天文和天體物理學十年規(guī)劃(Astro2020)中所講的那樣，兩臺即將被資助的太空望遠鏡可以探測到附近M矮星(紅矮星，比太陽更冷，因此更暗)周圍行星所發(fā)出的這種光，這兩個望遠鏡分別是大型紫外光紅外巡天器(LUVOIR)和宜居系外行星成像任務(HabEx)望遠鏡，后者包括一個日冕儀和一個遮星板飛行器，從而可以直接對類地行星進行成像。

系外行星探測器。大型紫外/光學/紅外探測器(LUVOIR)是美國航天局提出的一個多波長空間天文臺，可能是發(fā)現(xiàn)技術印跡的理想設備。這是美國航天局的天文和天體物理學十年規(guī)劃(Astro2020)正在考慮的項目之一

Beatty發(fā)現(xiàn)，通過使用日冕儀，如果一個行星表面城市化水平達到0.4%(8倍的地球城市化水平)至3%的話，可以用100小時的觀測時間探測到這些光。如果要探測到類太陽恒星周圍的行星上所發(fā)出的夜間光(因為類太陽恒星更亮，使得探測更加困難)，城市化程度要達到10%或更高。Beatty還考慮了“生態(tài)城市”(ecumenopolis)的概念，即一個全球性的城市。假設擁有典型的類似于地球的云層覆蓋，從太空看到的大部分光線都是被混凝土和道路所反射，他發(fā)現(xiàn)可以通過上面提到的兩臺望遠鏡在大約50顆臨近恒星的周圍探測到類似的行星。

可能的信號？

2015年，行星獵人計劃的科學家注意到一顆F型主序恒星的光曲線出現(xiàn)了奇怪的波動，這顆恒星距離地球約450秒差距。它引起了專業(yè)天文學家的注意，其中包括耶魯大學的Tabetha Boyajian，他探測到這顆恒星的亮度不規(guī)則地變暗了，最高可達22%。對這顆現(xiàn)在被稱為“塔比星”(Tabby′s star)的意想不到的觀測引發(fā)了許多猜測，從行星殘骸到地外巨型結(jié)構，再到自由的外星衛(wèi)星，最后得出最有可能的原因是空間塵埃。

盡管最終的解釋很平常，但這起事件促使NASA的天文學家AnnMarie Cody研究苔絲衛(wèi)星(TESS)的數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星自2018年以來一直在以30分鐘的時間尺度監(jiān)測數(shù)千萬顆恒星的亮度變化。Cody目前正致力于自動搜索TESS的光變曲線，期待發(fā)現(xiàn)一些罕見的事件，如顯著變暗或變亮。

通過使用100多種不同的統(tǒng)計方法，她希望區(qū)分普通的異?，F(xiàn)象(比如食雙星系統(tǒng))和罕見的異?，F(xiàn)象。后者包括恒星周圍的掩星物質(zhì)、系外行星表面的太陽能電池板、正在收集能量的繞轉(zhuǎn)的巨型結(jié)構，或者其他未知的技術印跡。這類異常最終將被提交給地面望遠鏡以進行更專門的搜索，包括射電波段的地外文明搜索。

發(fā)現(xiàn)污染成分

另一個技術印跡可能是污染物，這是外星生物在技術發(fā)展的早期階段向他們居住星球的大氣所排放的。事實上，通過觀察光譜數(shù)據(jù)，可以用與氧氣和甲烷等生物印跡相同的方式來識別大氣中的化學污染物。

2014年，哈佛大學的天文學家Henry Lin和他的同事們在地球大氣層中發(fā)現(xiàn)了某些化學污染物，如氯氟烴，它們在JWST望遠鏡覆蓋的光譜范圍內(nèi)具有明顯的吸收特征。如果在圍繞白矮星運動的類地行星的大氣層中存在著這些化學物質(zhì)，并且它們的濃度是地球大氣含量的10倍，那么在大約一天半的觀測時間內(nèi)，通過望遠鏡就可以探測到。

另一種被認為具有技術印跡的污染物是NO2，它是車輛和化石燃料發(fā)電廠燃燒的副產(chǎn)品。在今年發(fā)表的一項研究中，Kopparapu和他的同事們檢查了是否可以在10秒差距的距離內(nèi)從系外行星的大氣層中檢測到NO2。如果行星無云遮擋，那么使用擬議的LUVOIR望遠鏡觀測大約400小時就可以在紅外線波段探測到類地球的NO2水平。

美國航天局于2020年6月向紐約羅切斯特大學的Adam Frank授予了第一筆非無線電技術印跡搜索基金，用于建立一個名為“表征大氣技術特征”(CATS)的在線光譜數(shù)據(jù)庫，其中一半用于表征NO2和氯氟烴的印跡，另外一半用于表征外星表面太陽能電池板中礦物反射光線在光譜中留下的印跡。

外星巨型結(jié)構

一個值得注意的技術印跡是探測到戴森球——這是一種假想的巨型結(jié)構，由弗里曼·戴森于1960年在Science上首次提出。最初構想先進的外星文明可能會圍繞其宿主恒星建造一個中空的殼層，球體將捕獲所有恒星的能量——在我們太陽系的情形下，獲取的太陽能量將是落在地球上層大氣能量的20億倍。

能量收集設備。經(jīng)典的戴森球體是一個完全包圍恒星的“殼層”(左上)。這在機械上是不穩(wěn)定的，但其他的戴森巨型結(jié)構更有可能工作，包括環(huán)形(右上)、氣泡狀(左下)和蜂群狀(右下)

一個真正的殼層，也許是由一個系統(tǒng)的行星和小行星組成的，在機械上是不穩(wěn)定的(戴森也知道這一點)，但其巨型結(jié)構，如球形的“籠子”、“蜂群”、“氣泡”或“環(huán)”都可以工作。這些結(jié)構中的恒星能量收集器可以通過微波輻射的方式把能量傳輸?shù)叫行潜砻?，不過這可能會極大地改變恒星的光譜，產(chǎn)生一個峰值在紅外的黑體光譜。以我們的太陽為例，它是一顆G型主序星，在地球軌道距離處的殼層會因為余熱產(chǎn)生一個溫度大約為300 K的黑體光譜，輻射的峰值波長為10 μm。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在我們銀河系中，10千秒差距的范圍內(nèi)，環(huán)繞恒星級質(zhì)量黑洞的熱戴森球體在紫外、光學、近紅外和中紅外波段都可以探測到，這使得目前的儀器，如哈勃太空望遠鏡上的WFC3相機就可以發(fā)現(xiàn)它。

從1983年發(fā)射的紅外天文衛(wèi)星(IAS)開始，我們在銀河系內(nèi)外進行了幾次戴森結(jié)構的搜索，不過還沒有任何戴森球存在的跡象。

最終，如果外星生物沒有造訪我們的話，尋找地外生命的證據(jù)將來自于所收集的大量關于技術印跡和生物印跡的數(shù)據(jù)。卡爾·薩根在1982年給Science的一份“請愿書”中寫道：“我們一致認為，對外星智慧存在的唯一重大檢驗應該來自于實驗?！彼€寫道：“關于這個問題的先驗論點不具有任何說服力，同時也不應該被用來替代任何的觀測計劃。”他敦促進行“協(xié)調(diào)性的、全球范圍的和系統(tǒng)的搜索”。希望在本世紀接下來的時間里，薩根探測外星文明跡象的設想能夠被實現(xiàn)。