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2018-10-10

射电SETI搜索:思路与策略

上月月底,《天文爱好者》杂志的一位编辑询问可否就FAST望远镜可能的SETI搜索前景撰写文章。说来也巧,此时贵州现场刚刚完成了由加州大学伯克利分校提供支持的SETI/FRB后端安装。但就个人来说,实在不愿意针对某项具体的SETI计划消耗笔墨——有关早期尝试的介绍早已汗牛充栋到毋须重复劳动,而要论当代SETI搜索?无论读者承认与否,哪怕只是针对今天的射电天文观测而言,SETI的地位也很是边缘化。且不论射电天文史上数次将成因暂时不明的新现象归因于地外生命的做法相当草率且不负责任因而免不了被人诟病,纯粹的SETI研究由于耗时无止境且预期产出完全不明,如今世界上没有哪个国家的官方科研机构愿意将太多的精力与资金投入其中,只有突破聆听这种出于私人兴趣赞助的项目才有可能将其常态化。就算如此,在借用已有望远镜扫描天空时,相关项目往往也只能通过“背负式”的方式,在不干扰望远镜其他观测的前提下顺便采集所需的数据。科普媒体过多关注这方面的话题,难免会让公众对天文工作者的日常产生误解。

但是说到SETI/FRB后端,究其思路倒也是颇有意思的事情。再加上9月在现场轮值期间也与来自伯克利的诸位研发者聊得颇欢,所以就在自己的园子里写上几笔好了。本文题目说是讲SETI搜索的策略,其实还是以这套后端作为基准点。不过在开始介绍之前,首先要澄清几个问题。第一,为什么要在射电而非其他波段开展搜索?

就个人来看,这多少是一个历史遗留问题。毕竟地球上的长距离通信最开始就是以无线电传输的形式现身的。对于从雷达/通信工程师转行而来的第一代射电天文学家而言,射电波是他们唯一能够想到的技术文明星际通信手段。而当前已被广泛应用的光通信,当时的人们于此是毫无概念的。可是以近年来的地球文明发展过程来看,既然发达到一定程度之后的社会有可能在很大程度上抛弃无线电,射电搜索能否找到想要的目标首先就要打上一个折扣。(自然,光学SETI搜索也是存在的,可是本人对其了解十分有限,在此不多言。)

但话虽如此,射电SETI搜索到今天也只是涉及了所有可能搜索空间的九牛一毛。这一来是观测频率的选择实在有限。数十年来,SETI搜索最钟情的频段莫过于“水洞”,也就是从1.42 GHz的中性氢超精细结构跃迁线到1.72 GHz附近的羟基脉泽线之间的狭窄区间。这是出于0.5到60 GHz频段天然背景辐射相对较弱,更且氢元素与水分在宇宙中普遍存在的考量(任何具备技术文明的外星生物都理应能够注意到到这两点)。但是更宽阔的波谱几乎无人涉足,天知道那里会潜藏着什么可能的地外文明发射;更且水洞之外的其他频率上也存在着大量重要的谱线,它们可能更受外星文明的垂青也是说不定的事情。

“水洞”在电磁波谱中位置的示意图。(图片提供:Sky & Telescope)

再来看看搜索天区。早年的奥兹玛计划以及晚些时候的凤凰计划针对的都是预先挑选出的一些个别恒星,这对系统性的搜索来说显然是远远不够的,因此它们未能取得任何结果也在情理之中。随后加州大学伯克利分校开启的SERENDIP计划率先提出了背负式的观测策略,并在阿雷西博天文台取得成功后推广到了其他机构,算是从根本上解决了SETI项目望远镜时间不足的问题(这里的成功指的是论证策略有效,当然不是说已经真的确认了外星人的存在)。可是鉴于地球曾经向太空刻意发送过一次性的无线电信息,如果有哪个外星文明也作出过类似的尝试,如果我们不在正确的时间将望远镜指向正确的天区,想发现对方存在的可能性也直接等于零,除非对方设有专门用于昭告星际邻居的持久信标。

这次在FAST现场安装的后端正是SERENDIP的最新版,也称得上当前SETI业界的标配。在FAST望远镜完成验收、后端也完成调试之后,这套系统也将采取随遇而安的方式,与更加重要的谱线和脉冲星后端一同记录接收机扫过的每一片天区的信号,只不过其记录思路与“正常”的射电观测迥异。

15年前,来自伯克利SERENDIP开发团队的Dan Werthimer(中)为阿雷西博望远镜设置SERENDIP后端。可恨这次忘记拍下此君在FAST现场的工作照,嗯,其实那几天观测值班+数据处理已经把本人搞到几近残废了。何况按照Werthimer自己的说法,这次他们只不过是换了更大的一口锅,做了同样的事情而已,也没有太大的区别嘛……(图片版权:Ron Hipschman/SETI@Home)

SERENDIP的核心思想之一是极高的频谱分辨率——FAST望远镜当下正在使用的谱线后端,在500 MHz的观测频带内,通道数量最高可以达到百万,已然称得上惊人(外加让工作人员头大不已……);而SERENDIP系统则拥有令人瞠目的数亿通道。之所以要作如此设置,就要从技术文明发射的特点说起了。

天体辐射一般都是具有一定展宽的。抛开连续谱发射不论,哪怕是频率固定的谱线,都会在动力学运动以及微观粒子热运动的作用下致宽——典型的星系中性氢谱线可以具有MHz级的宽度,一些分子谱线的展宽更甚。作为比较,携载着有意义信息的人为辐射宽度要狭窄得多。以广播电台发射为例,虽然一个频道所占的带宽乍看并不算太小,但载波带宽却有可能窄至数Hz。如果该特性对地外文明也适用(根据信息传输的原理,这一条理应成立),那么只有凭借Hz级的分辨率观天,才有望将较宽的天然射电波同人造信号准确区分开来。当然,SERENDIP的超高分辨率并非一蹴而就,要知道其在20世纪80年代开发的原型机,通道数也不过上百,之后历经多次升级换代之后才有了如今的面貌。

分辨率超高意味着数据体量超大。这样一来,部分出于降低存储负担的考虑,SERENDIP发展出了另一大绝技——实时处理。这乍看起来也不奇怪,毕竟所有的傅里叶频谱仪都要先对采集而来的样本数据进行傅里叶变换操作之后才作记录,否则原始信息的体积已经够大家狠狠地吃上一票了(依稀记得某次记录脉冲星后端原始采样期间,值班者掐着秒表下指令,以防磁盘阵列爆满时的惨烈场景……)。不过SERENDIP的处理思路也着实能把人吓一跳:在射电天文学家眼中,现代社会无处不在射频干扰是观测期间所面临的最头痛问题没有之一,甚至像印度大型米波射电望远镜等设施还会通过终端的某些操作,直接将部分干扰辨认出来不予写入存储设备;但SERENDIP却要筛除背景带通,只记下强度超过一定阈值的疑似干扰——潜在的外星文明发射就可能潜藏在那些恼人的尖刺丛林里;至于那些平滑的连续谱,who cares?虽说较弱的地外文明发射确实有可能淹没到背景之中,但是想一想SETI的终极目标以及天体射电辐射的典型强度,探测这种比天空本底还要微弱的信号,恐怕意义也是大不到哪里去了。

观测结束后的离线数据处理过程则要将人类活动导致的干扰分离出来。这其中包括望远镜无效时间的过滤、宽频信号的筛查(因为如前所述,可能的地外文明传输理应是在较窄的频带内进行的)以及带有“漂移”特征的干扰的识别。这最后一条是为了将一切非远距离点源发射排除在外,如果一个信号占据的立体角过大,它就不可能是源于远方星球的了。

SERENDIP的射频干扰筛查算法示意。在频率-时间平面内,对每个高流量数据点画一个分区半圆,并分析落在半圆中的其他信号的性质。如果某一组数据表现出了时间相干性或空间的连续性,就将其视作干扰并排除掉。(图片来源:Cobb et al. 2000

在排除人为干扰之后,SERENDIP对SETI候选体的辨别借助了一系列特征识别操作,以挑选具有持续性、点源相关特征、脉冲行为和/或高功率的信号。正因为后三条特点,SERENDIP也可兼作快速射电暴观测(但它的时间分辨率着实有些逊色,只是亚秒级,距离完全解析FRB脉冲轮廓所需的亚毫秒级还差得很远)。最后系统还会基于概率将候选体分为三六九等,以便研究者的后续分析。

但SERENDIP所采取的背负式观测本身并不涉及重复观测高分候选体的问题;实际上,这个重复观测本身就是SERENDIP最大的短板所在。哪怕主望远镜为了改善巡天结果而采取多次扫描的策略,对候选体组织及时的后续观测也是不能指望的,像凤凰计划那样花费较长时间瞄准某颗恒星也实属不可能,除非这颗恒星本身就是令主流射电天文学家感兴趣的观测对象。

SERENDIP这30来年的发展几乎可以被视作是SETI搜索见缝插针30余年的见证者。其实个人对SETI本身的兴趣倒是比不上对这套系统筛选射频干扰的思路——在最终的候选体中如何判断真正的外星文明发射也是难题,总不能指望地外文明哪天真的直接跟我们用莫尔斯码打招呼吧!所以又该如何将未知语言写就的单次有意义发射同偶发事件区别开来?Werthimer也坦承他们对此并无良策。但是非SETI观测倒也不妨参照SERENDIP的算法来实现干扰标记,只是不知效果如何,日后可以抽空同合作者一试。

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