第 37 卷第 2 期 2021 年 4 月V ol .37，No .2 Apr .，
2021
利用嫦娥4号低频射电频谱仪搜寻地外智慧生命
——地外文明宇宙学
张同杰1，2
（1. 北京师范大学 天文系，北京 100875；2.德州学院 天文科学研究院，山东 德州 253023）
辩论赛技巧摘 要：“嫦娥4号”成功登月，实现了人类第一次位于月球背面的软着陆。利用“嫦娥4号”着陆器配置的低频射电频谱仪以及中继星上配置的由荷兰合作团队研制的低频射电探测仪，我们能够发挥月球背面绝佳
的低频射电环境的优势， 尝试低频射电波段搜寻地外智慧生命（SETI）实验的可行性。本文将对于以往的SETI实验做出综述，解释基于射电波段的SETI实验的理论基础，详细阐述SETI实验射电观测数据处理的具体方法，并探讨“嫦娥4号”相关低频射电仪器在SETI实验中可能的应用。实际上，随着宇宙138亿年的演化，银河系中的太阳系的地球上孕育出了人类文明。宇宙中文明可能在宇宙不同时期、不同的位置在不断地产生和消亡。宇宙微波背景辐射携带了宇宙30万年至今所历经的几乎宇宙所有的成长信息，因此在宇宙不同时期的文明产生的信息一定会遗留在宇宙微波背景辐射中。利用宇宙学的方法研究地外文明，即地外文明宇宙学。itsucks
关键词：嫦娥4号；低频射电探测；搜寻地外智慧生命；地外文明宇宙学
中图分类号：P161；P111.3 文献标识码：A 文章编号：1004-9444（2021）02-0002-05
收稿日期：2021-03-31
三星广告歌曲基金项目：国家自然科学基金项目（11929301, 11573006）。
作者简介：张同杰（1968-），男，山东夏津人，教授，博士生导师，主要从事标准宇宙学的理伦和观侧效应以及高精度计算 机数值模拟。
德州学院物理学专业1988届毕业生。
一、引言
随着科技的进步，人类对于寻找地外智慧生命的方法也不断发生着变化，提出了各种极富想象力的观点。而科学家们所采用的方法，是根据人类自身科学发展的规律，以现有的科技为基础进行合理假设，寻找可能的地外文明信号。搜寻地外智慧生命（SETI-Search for Extraterrestrial Intelligence）是利用射电望远镜设备收听来自地外文明有意或无意发出的电磁波信号的实验。
SETI关注的地外生命的科技水平应当发展到了一定的程度，至少可以向外发出可探测的电磁波信号。对于人类来说，我们的生活中早已充斥着电磁辐射，向外辐射电磁波的时间已经超过了一个世纪。我们每天用于远距离通讯的信号是射电波段，实现射电通讯的设备经济便捷，为人们广泛使用。人类最早发出的电磁波信号，现在已经传播到了30pc以外的宇宙空间。如果在这个距离以内存在着同样在收听外星信号
的智慧生命，那么他们有可能会发现我们的存在。由此类推，或许外星人也是用这一波段进行通讯，外星人也会在家里收看卫星电视。如果有外星人发出的电磁信号传递到了地球，SETI 实验就能够帮助人们发现他们的踪迹。
最早的SETI实验是于1960年开展的Ozma项目[1]。该项目利用美国国家射电天文台位于西弗吉尼亚州的26米射电望远镜，对于两颗近邻恒星进行了观测。此后，从事SETI研究的科学家们利用其他射电望远镜进行了多种SETI实验，其中值得一提的两个项目分别是SETI@home和2016年启动的突破聆听计划。SETI@home是1999年开展的SETI实验[2-4]，当时计算机的计算能力跟现在的计算机相差甚远，个人电脑和互联网逐渐在每个人的家里普及开来。科学家将望远镜收集的高精度数据分段，发送给世界各地愿意贡献自己个人电脑计算时间的志愿者，完成计算后再将结果反馈给科研人员[5]，这也是分布式计算的雏形。突破聆听
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计划是2016年启动的最大规模的地外文明搜寻项目，该项目利用全球的大型射电望远镜，对近邻恒星展开了大规模的搜寻[6]。
目前S E T I实验主要的观测波段为L波段，在1420MHz附近搜寻窄带信号。外星智慧生命有意识或无意识发送的信号，有可能分布在各个波段，因此最理想的情况是进行全天全波段的SETI巡天实验。突破聆听计划目前在光学波段也已经开展了相关实验[7]，用于观测可能的激光信号。由于电离层的存在，大气对于低频射电波段是不透明的，地基射电望远镜无法在这个波段进行观测，因此人类尚未在这低频射电波段进行过搜寻地外文明的实验。
二、利用嫦娥4号低频射电仪器进行SETI实验的方法
（一） SETI实验的理论基础
我们对于地球上的人类产生的射电信号以及来自天体的射电信号已经有了很好的理解。天体辐射出的电磁波信号由于各种随机过程会导致其谱线致宽，已知的带宽最窄的天体辐射是脉泽，为500Hz[8]。人造辐射如通讯信号，其带宽通常为Hz量级。地外文明信号可能类似于人造信号，其谱线宽度可能远比自然天体产生的辐射要窄。我们需要寻找窄带频率的信号或者调制的脉冲信号，这是可能的地外文明的信号，这样的信号也更容易从自然的宽带辐射中区分出来。地外文明有可能使用的信号类型主要是频率范围很小的窄带信号或时域很窄的射电脉冲信号，这种信号更适合星际间的通讯。另外也有研究表明，不能排除宽带信号的可能性，这样的信号往往携带了更多更丰富的信息[9]。
SETI 基于地外文明的存在会向宇宙中发射无线电波的假设，利用大型射电望远镜对恒星附近的天区进行巡天，对获得的信号进行去除射频干扰（RFI, Radio Frequency Interferenc），即去除掉来自地球或者人造的近地信号，在筛选结果中找到有规律的发生多普勒漂移（Doppler Drifting）的事件，并对这些信号位置的进行跟踪观测，如果这些信号仍有规律的出现，那么就有可能是真正的SETI信号。射电天文学是依赖于观测的学科，然而大型望远镜的观测时间非常宝贵，通常一段时间内，只能对某一目标源进行观测。这种排他性，使得一段观测时间内所得到的观测数据只能为一种科学目标所用。为
了提高数据的使用效率，在观测时同时记录分析用于不同科学目标的数据的技术手段，得到了越来越多的人的关注。在进行同时观测（commensal survey）的时候，望远镜指向由其主要观测目标决定，这种观测方法大大降低了经济成本，不需要建造专门用于SETI研究的望远镜，只需要在已有的远镜上进行同时观测。
同时观测这一概念，正是由早期从事SETI工作的科学家们提出，并在美国加州哈特克里克射电天文台（Hat Creek Radio Obrvatory）、绿岸望远镜（Green Bank）以及阿雷西博（Arecibo）望远镜上进行了尝试。在搜寻系外智慧生命的研究中，科学家们需要尽可能多的观测时间和观测尽可能大的天区，以及所有人造射电信号所有可能覆盖的频率范围。近年来，随着高性能计算机的普及，利用高性能计算机对射电望远镜的观测数据进行分布式计算，使我们能够进行快速的数据处理。
（二）数据分析
为了进行适用于SETI实验的数据分析，我们需要记录望远镜高于一定阈值的原始时序数据，这一阈值通常是平均功率的20倍，具体设置会根据射电望远镜的本地环境进行调节。每个这样的信号被称为一个hit，这些hit数据会通过数据采集系统hashpipe存储到缓存中，进而传递给GPU计算出斯托克斯参量，输出用于科学计算的fits格式的文件，包含着时间、频率和坐标等信息[10]。我们在找窄带SETI信号的过程中，会遇到大量宽带信号，包括来自地球表面的雷击以及电火花事件等，它们有一个强杂散的宽带信号。为了衡量出每个观测时间的信号频率杂散程度，我们对信号数据进
行升序排列后，对每个观测时刻求其谱熵。如下式：
其中，k代表每一个观测的时间瞬间，Hk,i代表排序后的k时刻每条hit记录的序数，Nk表示每个时间有多少个hit记录数。依据上式求出不同时间的谱熵。根据原理，如果频谱出现某种聚集，则谱熵会比较低。我们针对谱熵用3σ准则找到阈值之外的信号记录，把这些频谱从窄带分析中分离出来。因为一个相对强的SETI信号可能出现在多个相近频率，从而表现出来低频谱熵。而为了避免错误地去除掉这些聚集的信号，如果某个时刻的频率数少于1024，那么这个时刻的需要保留下来（图1）。caligula
张同杰：利用嫦娥4号低频射电频谱仪搜寻地外智慧生命
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图1 来自某射电望远镜真实数据绘制的瀑布图。谱熵算法基于地外文明信号不随机的特征，用于筛选
出强杂散度的宽带信号，这些RFI来源于闪电、电火花事件等。颜色表示相对功率的大小，红色的条纹代表相近相同功率的一些列hits在相近的频率上，即持续发生窄带信号。
得到这些数据只是第一步，如何处理数据同样具有很大挑战，大部分hit都来自射频干扰。怎样在这些数据中找到我们想要的数据呢？我们并不了解外星人会在什么频率发出信号，也不知道他们发出的信息的格式，对于他们发出信号的时间和方位也一无所知。因此要回答这个问题，我们首先要对外星人发出的信号会有什么特性做出基本的假设。根据人类射电波段通讯的特点，我们可以假设外星人发出的信息在短时间内具有持续性，区别于快速射电暴，有一定的重复性，但是又不同于脉冲星的精确周期性。举例来说，利用同一个射电望远镜观测天空的不同区域，若同时观测到了相同的hit，那么这个信号很有可能就是射频干扰，需要在数据处理的过程中被去除。这是因为如果有外星人发出射电信号，那么这个信号应该是从一个点发出来的，而不是天空的各个方向都能接收到。对于配备了多波束接收机的望远镜来说，会极大的提高去除射频干扰的效率[11,12]。另外，近两年来非常火热的机器学习也可以在射频干扰去除方面一展拳脚。
dj音标三、可行性分析
2019年1月3日，“嫦娥四号”成功登录月球背面，其中着陆器上配置了低频射电谱仪，该低频射电频谱仪与2018年5月21日，“鹊桥”中继卫星上搭载的荷兰科学院研制的低频射电探测仪联合展开嫦娥四号
低频射电观测。低频射电频谱仪为三天线，分别接收电磁波三个方向的分量，可通过对于观测数据的分析获得极化特性，动态范围≥75dB，灵敏度<-160dBm·Hz-1 (10M H z)，0.1-1M H z的频率分辨率为1-10k H z,1-40MHz 的频率分辨率为 100-200kHz [14,15]。
地外文明的可能信号是窄带频率的信号或者调制的脉冲信号。地球上调频广播（FM）的波段为88-108MHz，电视信号（TV）的波段为40-850MHz。如果地外文明与人类有相似的科学技术，那么这些波段也是地外文明有可能使用的信号波段。低频射电频谱仪的工作频段为0.1MHz～40MHz，中继星上的低频射电探测仪的工作频段为0.1MHz～80MHz，我们可以在这个频率范围内进行地外文明信号搜寻。
表1 地球上人造射电信号分布的波段[13]及嫦娥4号低频设点频谱仪及低频射电探测仪的工作频段
[14,15]设备工作频段（MHz）调频广播88-108
电视信号40-850
低频射电频谱仪0.1-40
低频射电探测仪1-80
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四、结论modem是什么意思
在太空中，可以有效避免嫦娥4号低频射电频谱仪及低频射电探测仪的工作频段的人造信号带来的射频干扰。面向太空方向，应该只有天体和地外文明信号，因此是最为理想的一种模式。更为重要的是，在太空中不需要考虑大气电离层对于低频射电波段的屏蔽作用，我们能够尝试进行这一波段的SETI实验，同样我们期待后续嫦娥任务能够搭载覆盖频率范围更广，分辨率更高的低频射电仪器，这将极大地提升SETI实验的精度，特别是提升在SETI实验中更为关注的窄带信号的探测能力。
目前在分子云中已经探测到了有机分子[16]，这是宇宙中形成高级智慧生命的基础。越来越多的地外行星被探测到，也为找到地外文明提供了天文基础[17]。越来越多的证据表明，形成生命必要的自然
小学三年级英语试题
条件和所需成分是普遍存在的，人类在宇宙中并不是孤立存在的。著名物理学家Physicist Enrico Fermi（费米）几十年前问了一个问题，称为Fermi paradox（费米佯谬）： 他们在哪里？在宇宙中如果生命和智慧文明是普适的，并且有如此巨大的增长能力，为什么没有一个银河文明的网络，它的存在甚至延伸到像我们这样的“后来者”行星系统？很多试图解决的方案：或许生命是普适的，但是智慧文明是罕见的，各种可能性等等！无容置疑，在茫茫宇宙138亿年的演化过程中生命的存在是必然的。
英文Cosmos的中文释义是“和谐，秩序”。宇宙学“Cosmology”这个词从Cosmos衍生出来，隐含着对宇宙和谐的期望。英语里面也有“cosmology is the most scientifically rigorous(精确的)，aesthetically elegant(优美的)，and the most poetic(诗意) of the sciences." 这是对宇宙学从美学角度上的定义。
宇宙在138亿前，标量场、基本粒子、普通物质、四种力和物理规律，尤其是主导宇宙的引力理论都不存在。随着宇宙的诞生，“上帝”随之把他们放入到宇宙中。这些物理规律就像一个被压缩的文件夹一样，也随之逐渐释放开来，引力退藕，强作用力退藕，四种作用力也慢慢地呈现在宇宙中。大爆炸起点就像一个文件压缩包，随着宇宙的诞生和膨胀，宇宙中的各种组成部分相继登场，在四种力的作用下开始漫长的演化过程，最终形成今天看到的宇宙。宇宙演化中，物质（正常物质和暗物质）（吸引力）抗衡暗能量（排斥力），形成了现在观测支持的宇宙。这如同中国古代哲学的万事万物中的阴阳平衡。
scene是什么意思随着宇宙的演化，在合适的时期和合适的地点，银河系中的太阳系的地球上孕育出了人类文明。宇宙中文明可能不只是我们地球上的人类，可能在宇宙不同时期、不同的位置在不断地产生和消亡。宇宙微波背景辐射携带了宇宙30万年至今所历经的几乎宇宙所有的成长信息，因此在宇宙不同时期的文明产生的信息一定会遗留在宇宙微波背景辐射中，目前可能被我们当作噪音滤掉了。利用宇宙学的方法研究地外文明，定义为地外文明宇宙学[Extra-terrestrial Intelligence Cosmology]。这也产生了另一个问题，即宇宙诞生之初宇宙只包含能量，暴涨结束后通过再加热过程转化为物质，随着宇宙漫长的演化，逐渐形成了我们中学化学学过的100多种元素。但是宇宙中的文明所必备的原初意识如何产生？这成为一个目前不能解决的终极问题。
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。小说作者、世界一流的天文学家和科学活动家卡尔·萨根的一句名言："if humans were the only life in the univer it would 'be a terrible waste of space'."如果宇宙中存在的生物只有人类，那将是对空间的极大浪费？在中国天眼(FAST)主页介绍其科学目标时也对地外文明做了描述：寻找地外文明（SETI）的学科风险时不言而喻的，但它一旦成功，将使人类所有的科学成就黯然失色。美国康奈尔大学天文学家G.Cocconi and P.Morrison在Nature文章[18] 结尾说：成功的可能性很难估计，但如果我们从不去寻找，成功的可能性是零”。
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Search for Extraterrestrial Intelligence via low frequency radio instruments
on Chang’E-4 Lunar Explorer
—— Extra-terrestrial Intelligence Cosmology
ZHANG Tong-jie1,2
（1. Dept. of Astronomy, Beijing Normal University, Beijing 100875，China；
2. Institute for Astronomical Science at Dezhou University (IASDU),Dezhou Shandong 253023，China）
Abstract：With the pioneering steps of the soft-landing on the far side of the moon, the scientific payloads of China’s Chang’E-4 enable us to conduct radio astronomy experiments in the naturally radio-quiet zone. Using the low frequency radio spectrometer on the lander and the Netherlands-China Low Frequency Explorer on the relay satellite, we can take the advantages of the excellent low-frequency radio environment on the far side of the moon and discuss the possibility to conduct e
xperiments of arch for extraterrestrial intelligence in the low-frequency radio band. In this paper, we will summarize the previous SETI experiments, explain the theoretical basis of SETI experiments bad on radio band, elaborate the specific method of processing the radio obrvation data of SETI experiments, and discuss the possible application of the low frequency radio instruments on Chang’E-4 lunar explorer in SETI experiments.
Key words：Chang’E-4； low frequency radio experiments；SETI；Extra-terrestrial Intelligence Cosmology
