银河系论文参考文献

对于“是否有外星人”存在这个问题，宇航员们似乎因为曾经进入太空，比我们普通人更有机会与外星人“ 亲密接触”,因此他们多了一些发言权。

宇航员们相信“外星人”存在吗？

最近，中国第一位航天员杨利伟亲述曾在太空遇到神秘的敲击声：“这个声音也是突然出现的，并不一直响，而是一阵一阵的，不管白天还是黑夜，毫无规律，不知什么时候就响几声。不是外面传进来的声音，也不是飞船里面的声音，而仿佛是谁在外面敲飞船的船体。无法描述它，不是叮叮的，也不是当当的，而是更像拿一个木头锤子敲铁桶，咚 咚 咚 咚”。

这是否是外星人造访我们的飞船?

2014年，笔者曾组织举办第27届太空探索者协会年会的社会活动日(北师大分会场)，航天员刘旺和部分美国、俄罗斯和日本的宇航员都应邀参加了这个活动。

会议交流期间，刘旺曾经告诉我，他相信有外星人的存在，但是没有说为什么。而最近航天员杨利伟的爆料，让我明白了背后可能的原因。此外,一些美国航天员也相信外星人的存在。

图注: 第27届太空探索者协会年会(北师大分会场)

本文将首先介绍国际和国内搜寻地外文明的历史及现状，再从天体物理角度对杨利伟爆料的神秘敲击声给出可能的解释。

漫长的地外文明搜寻之路

在如此深邃的宇宙里，

人类是唯一的智慧生命吗？

地球是宇宙中最特殊的星球吗？

在宇宙中是否还有其他的生命？

这些生命会以怎样的形式进行演化？

人类是如此渴望知道这些问题的答案，以至于从未停止过对地外文明的搜寻。

从最早试图在地球上建造巨大的结构来引起外星人的注意，被动得等待外星人发现人类，到一百多年前，尼古拉·特斯拉认为他的无线电传输系统可以用来联系火星上的生物（参考文献【1】），人们搜寻外星人的方法随着科技的进步经历着一系列深刻重大的变化。

1931年，美国的无线电工程师卡尔·央斯基接收到了来自银河系中的射电辐射，打开了射电天文学这一新窗口，为人们探索宇宙增加了一条重要途径。

1959年，物理学家莫里森和科可尼在《自然》杂志上发表了一篇论文（参考文献【2】） ，他们认为如果宇宙中存在其他智慧生命，并且他们的科技发展水平与人类相当，或许人类能够从众多的射电信号中，找到外星人发出的信号。他们认为这个信号的波长很可能是525px（），这一波长正是宇宙中最常见的中性氢发出的辐射。

图注: 中性氢原子的21 厘米谱线产生机制示意图

这篇文章的发表一时间激起千层浪，从此人们对于外星人的搜寻不再是盲目的，可谓是为现代搜寻地外智慧生命奠定了科学基础。

笔者的师大物理宇宙学团队也基于2014年发表在PRL上的文章，计划使用我国FAST望远镜，观测宇宙深处中性氢的21 厘米射电谱线测量宇宙膨胀的加速度。

1.搜寻地外智慧生命（SETI）实验

1960年，康奈尔大学的射电天文学家、被称为“SETI之父”的弗兰克·德雷克（Frank Drake）开启了第一个现代搜寻地外智慧生命（Search for Extra-terrestrial Intelligence，以下简称SETI）的实验，该实验被称为“奥慈玛计划（Project Ozma）”。基于莫里森和科可尼的文章，他利用绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope)的85英尺射电望远镜，观测天仓五和天苑四这两颗恒星在这一频率的射电信号。当然，现在我们都知道在这次实验中，德雷克并没有找到他想找到的信号。然而德雷克并没有放弃，第二年，他发表了著名的德雷克公式，从统计上揭示了银河系中能够与外界交流的文明的数量。

图注: 笔者与德雷克的合影

1971年，NASA支持了德雷克等人进行SETI研究，他们设计了由多达1500个小型射电望远镜组成的地基射电望远镜阵列。然而由于造价过高，并没有实际建成，但是他们所做的研究工作为之后大量的SETI工作奠定了基础（参考文献【3】）。

1972年，美国先驱者10号探测器发射时携带了德雷克与康奈尔大学的天体物理学家卡尔·萨根共同设计的人类发往太空中的第一条物理信息（参考文献【4】）。这块镀金铝板上标记出了地球在太阳系中的位置，如果先驱者10号探测器能够遇到地外生命，那么他们就有望通过这条信息与我们取得联系。

然而地外生命也许并不是友好的，我们是否应该主动发送地球以及人类的信息给可能的地外生命，也一直是一个备受争议的话题。

德雷克目前是SETI研究所（参考文献【5】）的成员之一。SETI研究所是一个非盈利性组织，它成立于1984年，所需资金大部分来自于私人捐赠，他们所用的艾伦射电望远镜阵列以微软的共同创始人保罗·艾伦的名字命名，保罗·艾伦为这个望远镜阵列提供了一半的经费支持。

图注: 笔者访问SETI研究所

然而，耗费了大量人力物力的艾伦射电望远镜阵列并没有搜寻到外星人的蛛丝马迹，随着2011年美国政府资金支持的停止，艾伦射电望远镜阵列陷入了停工的局面。

图注：艾伦射电望远镜阵列(图片来源于网络)

与SETI研究所隔着旧金山湾相望的加州大学伯克利分校SETI研究中心（参考文献【6】），他们负责的SERENDIP(Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations：搜寻临近地球的地外智慧生命发出的射电信号)项目是世界上运行时间最长的SETI项目。

得益于互联网技术突飞猛进的发展，伯克利SETI研究中心也展开了SETI@home的项目（参考文献【7】），利用全球900万志愿者联网的计算机共同搜寻地外文明。SERENDIP最初是依附于其他观测项目之上的，从阿雷西博射电望远镜拿到观测数据之后，他们将这些数据分段，分别发给SETI@home的各个志愿者，利用每个志愿者电脑待机休息的时间对数据进行处理，找出非自然产生的射电信号以及潜在的目标信号，再反馈给SETI研究中心的科学家们。这种模式的优势是进行SETI研究的科学家们不需要单独申请望远镜的观测时间，能与其他项目实现双赢。

图注： SETI@home分布式计算项目

2.突破创新计划 (Breakthrough initiatives)

突破创新计划（参考文献【8】）是俄罗斯富翁尤里·米尔纳于2015年创立的探索宇宙、搜寻地外智慧生命，鼓励公众从行星的角度进行辩论的项目。其董事会成员包括著名的科学家史蒂芬·霍金以及Facebook的CEO马克·扎克伯格。尤里·米尔纳在英国伦敦皇家学会举行的新闻发布会上宣布了突破创新计划的成立, 当时物理学家史蒂芬·霍金、英国皇家天文学家马丁.瑞斯(Martin Rees)[据说他非常相信地外文明的存在]、“SETI之父”的弗兰克·德雷克、美国加州大学伯克利分校()天文系席教授高尔夫·摩西(Geoff Marcy)[他曾经发现了上千颗系外行星，是诺贝尔奖的热门候选者；但是不相信地外文明的存在，曾经和突破聆听计划的PI，同时也是伯克利SETI@home的首席科学家Dan Werthimer教授进行过关于是否有地外文明的辩论；目前他已经从天文系辞职]、 突破聆听的主要负责人Andrew Siemion以及基金会主席Peter Worden参加了成立仪式。

图注: 突破创新计划新闻发布会

突破创新计划由突破聆听(Breakthrough Lisen)、突破摄星(Breakthrough Strashot)以及突破信息(Breakthrough Message)三个项目组成。

（1）突破聆听

突破聆听计划是历史上最大规模的搜寻地外智慧生命的项目。

史蒂芬·霍金与尤里·米尔纳于2015年7月共同启动了突破聆听项目。尽管霍金本人认为向太空主动暴露人类的信息并不是明智之举，但是他对于人类主动搜寻地外智慧生命的项目仍然持积极态度。

突破聆听计划将在十年内投入1亿美元的资金，支持SETI研究。其中一部分经费用于购买望远镜的观测时间，另一大笔经费将会用来升级望远镜的后端设备。有了更多的望远镜观测时间以及更好的设备，突破聆听计划将会得到优于以往近百倍的观测结果。鉴于NASA已经决定今后不再给SETI研究任何的经费支持，对于SETI研究的科学家们来说，突破聆听项目的启动是一个重大利好消息。

2015年，伯克利SETI研究中心幸运的得到了俄罗斯富翁尤里·米尔纳10年内共计1亿美元的资金支持，继续搜寻地外文明。突破聆听计划的PI，同时也是伯克利SETI@home的首席科学家丹·沃斯莫(Dan Werthimer)教授，将与突破聆听的主要负责人安德鲁·西蒙(Andrew Siemion)一起[曾经是Dan Werthimer的博士后]，带领伯克利的SETI研究团队一同聆听天外来音。

Dan Werthimer教授与中国也有一段不解之缘，早在上个世纪八十年代，他就在北京师范大学天文系进行了为期一年的访问交流，与北师大的师生建立了深厚的情谊。2014年笔者访问美国加州大学伯克利分校()天文系和劳伦兹国家实验室(LBNL)时，与Dan建立了更加密切的合作关系。2015年，在笔者邀请下，Werthimer教授对北师大进行了学术访问，并做了风趣幽默、通俗易懂的报告，报告介绍了SETI研究的历史与发展。在此良机下，笔者带领的北师大SETI研究团队也积极得加入到了SETI的研究中,并且已经开始处理绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope)的数据。

图注: 笔者与DAN的合影以及DAN在北师大的海报

突破聆听计划主要利用位于美国西弗吉尼亚州的100米口径的绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope)和位于澳大利亚的64米口径的Parkes射电望远镜，监听来自外星文明传来的信号。绿岸射电望远镜是世界上最大的全方位可移动望远镜，Parkes射电望远镜是南半球第二大的射电望远镜。在突破聆听项目开启之前，做SETI研究的科学家们通常一年之内只能得到一两天的观测时间，而现在，他们得到了望远镜每年20%-25%的观测时间。

图注：国台和SETI签订协议

2016年10月，中国科学院国家天文台也与突破基金会签订战略性合作协议，国家天文台台长严俊和突破奖基金会主席及“突破计划”执行主任Pete Worden代表双方分别签字。根据合作意向，国家天文台500米口径球面射电望远镜FAST将加入“突破聆听”（Breakthrough Listen）项目，与位于美国的绿岸望远镜及位于澳大利亚的Parkes天文台共同合作，寻找地球以外智慧生命的线索。双方将有可能交换观测计划、探测方法和数据，并快速进行跟踪观测及数据分析。

未来，位于三个国家的三个世界一流的望远镜将一起交换观测计划，共享观测数据。

图注： 笔者参观绿岸射电望远镜

图注：Parkes射电望远镜

除了射电波段的研究，突破聆听还有一部分资金用于美国加利福尼亚州利克天文台的米光学望远镜，进行光学波段的研究，旨在探测地外文明发出指向地球的激光信号。

图注：笔者访问美国加利福尼亚州利克天文台

突破聆听计划主要观测的频率范围是1-10GHz，在这个范围内的射电信号不受宇宙源或地球大气的影响，可以用地面望远镜进行观测。大型望远镜的观测时间是十分宝贵的，因此科学家们总是期望从一批观测数据中可以得到多项科研成果。SETI研究得到的观测数据，还可以用于研究脉冲星、恒星日冕物质抛射等研究领域。这些数据将会公开发表，可能是历史上公开发表的数量最多的数据。

（2）突破摄星计划

突破摄星项目计划建成一个依靠光压驱动的纳米级宇宙飞船，其速度高达到光速的15%，这样的飞船能够在发射后20年到达距离太阳系最近的恒星——半人马座α星，又称为比邻星——为我们传来最近发现的比邻星的行星 Proxima b的图像。据此，可以帮助我们探测该恒星系统是否还有其他行星，我们还可以分析它们的磁场等一系列的性质。

（3）突破信息计划

如果说突破聆听计划是被动的接收外星人的信号，那么突破信息计划则是人类主动、有意识地给地外文明发送信息的项目。

突破信息计划的研究还包括将信息发送到宇宙深空的伦理学。同时，它还发起了高达一百万美元奖金的竞赛，竞赛的内容是设计一个可能会发送到地外文明手中的来自地球的数字化信息。这条信息应该是代表整个人类的文明程度和我们地球的特征。在是否应该主动向外界发送关于地球和人类信息的高水平深层次辩论结果出来之前，该项目暂时不会向外界发送任何信息。

突破计划的三个项目相辅相成，期待它能为我们带来振奋人心的发现。在未来的十到二十年之间，人们或许有望找到外星人发出的蛛丝马迹。另一方面，不论是否真的有外星人存在，突破创新计划都将在天文特别是射电天文学方面，极大的推动科学技术的发展。

3.突破聆听计划研讨会

2016年10月5-6日，在绿岸天文台召开了突破聆听计划研讨会，笔者也参加了这次会议，并且作了SETI in China 的学术报告。

会议由突破聆听计划项目主办，绿岸天文台承办。突破聆听基金的负责人Jamie Drew、突破聆听项目的PI Dan Werthimer教授、该项目的主要负责人Andrew Siemion以及现代SETI项目的奠基人Frank Drake教授均出席了本次研讨会。

图注：笔者与Dan Werthimer和Andrew Siemion

研讨会上探讨了突破聆听计划的研究目标、策略，并且广泛探讨了现代搜寻地外智慧生命的方法。从SETI实验所需的射电望远镜后端接收机以及数据储存、传输等硬件设备，到数据处理的方法，特别是对与其他研究项目一起进行联合观测研究的可能性进行了讨论。

此外，还有部分利用开普勒卫星进行光学波段研究的学者到场做了精彩的报告，主要是有关系外行星的搜寻工作。随着系外行星样本的不断增加，将会增加我们对于系外行星的认识，对于宜居行星分布情况也将会有进一步的了解。

对于宇宙中是否存在其他智慧生物，虽然短时间内可能不会有结果，但是学者们大多抱有积极乐观的态度。

即使最终不是专门研究SETI的科学家发现了地外智慧生命的，就像历史上许多重大天文观测发现一样（有心栽花花不开，无心插柳柳成荫），那仍将是令人激动的结果。

与会者还参观了绿岸望远镜的观测室以及后端设备室（非美国公民需要登记批准后才能进入）。在这里，观测人员可以同时控制天文台中的多架望远镜进行观测，后端设备室有两排插满了5TB硬盘的架子，存储了突破聆听计划的观测数据并对其进行了预处理。当找到了研究人员所感兴趣的信号之后，会把这部分数据发往加州大学伯克利分校的空间科学实验室进行进一步的处理。由于每天观测都会产生大量数据，剩下的没有发现感兴趣信号的数据就会被删除掉。德雷克教授感慨道，他在二十世纪六十年代最早做SETI实验的时候，是不敢想象今天的海量数据的。

杨利伟在太空是遇到外星人了吗?

最后，让我们再回到这个问题，杨利伟在太空是遇到外星人了吗？

笔者的看法是，杨利伟遇到外星人的可能性很小。

到目前为止，还没有接收到来自外星人的信号，并且也没有外星人造访地球的确切事实。以目前我们所知的科学技术水平，银河系内的外星人即使乘坐以光速飞行的飞船在短时间内都无法到达我们地球。从理论上讲，一种可能可以使我们从一个区域在短时间内到达另一个区域，那就是《星际穿越》电影里面描述的虫洞，这也是我的博士导师沈有根先生研究了一辈子的天体物理领域。

图注：虫洞示意图

如上图所示，外星人可以通过虫洞在短时间内从宇宙一个遥远的区域到达我们这里，而不需要经过漫长的路程。2015年初，来自意大利和美国的一个国际研究小组声称，基于对银河系的最新研究和理论，在我们的银河系可能存在可以通往遥远时空的巨大门户-虫洞，像热映电影《星际穿越》中所展现的那样，其大小足以让一艘宇宙飞船经过。相关论文发表在《物理学报》杂志上。这项研究表明人类将有可能通过虫洞穿越时空到达及其遥远的地方。因此，如果杨利伟遇到的确实是外星人，那么这些外星人所行走的路线只有一条：虫洞。这条虫洞连接我们地球附近区域和银河系内某个遥远的地方或者河外星系的某处区域，而且这个虫洞的入口或许在马航MH370飞机失事区域。

一个美好的愿望是马航MH370飞机仍然在这条虫洞中穿越。虽然我们感觉两年过去了，而MH370飞机由于在虫洞中穿行，其时间变慢，机上的乘客一直活着，他们感觉只是过去了几个小时，不久的将来他们或许通过其他的虫洞返回到我们的地球。

参考文献

[1] Seifer, Marc J. (1996). "Martian Fever (1895–1896)". Wizard : the life and times of Nikola Tesla: biography of a genius. Secaucus, New Jersey: Carol Pub. p. 157. ISBN 33865102.

[2] Cocconi, Giuseppe & Philip Morrison (1959). "Searching for interstellar communications"(4690):844~.

[3] "Project Cyclops: A Design Study of a System for Detecting Extraterrestrial Intelligent Life"  NASA. 1971.

[4] Carl Sagan; Linda Salzman Sagan & Frank Drake (1972-02-25). “A Message from Earth”. Science. 175 (4024) : 881-884

[5]

[6]

[7]

[8]

出品：科普中国

制作：北京师范大学天文系 宇宙之美科普团队  张同杰 李时雨

监制：中国科学院计算机网络信息中心

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

不论我们是不是学习天文的，都大概看到过银河系的图片。大家以往看到过的银河系图片，形象地比喻一下，都是类似于荷包蛋的形状，从上往下看是圆盘形的，侧面看是扁平状的，中间有一小块突起。 近些年来，科学家们对于银河系的形状又有了新的认识，发现银河系很可能与以往的认知有着较大的差别。 首先从尺度上来说，银河系的直径已经超过了科学家曾经认为的10万光年，可能达到了15万甚至20万光年，而目前暂时公布的数据也至少是12万光年。 另外，在银河系的“蛋黄”上下两侧，也并不是虚无的星际空间，而是有两个巨大的神秘结构——费米气泡。这两个费米气泡就像是两只气球一样，但是极其巨大，延伸出去几万光年。不过，最新的研究表明，连这个形状的银河系，也说不上是真实的银河系外形。即使抛开费米气泡不说，银河系的形状也不是扁平的，而是呈S形的！ 最近6年以来，智利拉斯坎帕纳斯天文台进行了一项名为天空研究--光学重力透镜实验(OGLE)的的项目，拍摄了206,726张包含1,055,030,021颗恒星的天空图像。 波兰华沙大学等机构研究人员利用这些太空照片进行了研究，试图绘制一张银河系的3D比例图，意外得出了这个结论。 他们主要观察的对象，叫做造父变星。造父变星是一类在天文学上极其著名的天体，属于变星的一种。所谓的变星，就是光度会发生周期性的变化。而造父变星更有特点，它的光度变化和它们与我们的距离直接挂钩。也就是说，简单地观测它们的变化规律，就可以轻松了解它们距离我们有多远，因此它们常用来衡量附近天体或者它们所在星系的距离，被称作宇宙的量天尺。在这次研究中，天文学家一共挑选出了2431颗造父变星，借此来绘制银河系的3D模型。他们原本是为了了解银河系在最近几亿年的演化和发展，却没想到有了意外的发现。 通过他们绘制的图像我们可以看出，银河系显然并不是扁平结构，而是一侧向上翘，另一侧向下弯的形状，也就是类似于S的形状。这种弯曲不是在银河系边缘才有的，而是从银心开始就形成了，只不过随着和银心距离的增加而变得明显。在距离银心6万光年的地方，其偏离“银河系平面”——银道面的距离已经达到了4500光年，非常明显。从图片看，就像是一只吧椅的椅座一样，非常有趣。 事实上，这个结果和中国科学院领衔的一支国际科学团队在今年2月份发表于英国《自然·天文学》期刊上的研究成果基本一致。在那个时候，人类第一次发现银河系竟然有这样的结构。 银河系究竟为何不是平面的，而是这种翘曲结构，目前仍然是个谜。有科学家认为，在银河系的外缘，天体受到的银河系引力已经比较小。而同时，在银河系附近又有其他的星系存在，这些星系的引力作用，导致了银河系外缘的扭曲。不过，如此精美的形状，如果只是这个原因形成的，也是让人有点难以置信。科学家指出，不仅仅是银河系，河外星系中也有很多是同样的结构，对这个结构的研究，对于了解星系的形成、演化以及宇宙的规律，有着重要的意义。 研究论文8月1日在线发表在美国《科学》杂志上。