淺談人類如何搜尋地外文明

在香港的夜空下，繁星或許常被霓虹和雲層遮住，但我們仍在問同一個問題：宇宙有沒有別的「鄰居」？搜尋地外文明（SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence）不是電影橋段，而是一門結合天文、資訊科學、工程與數學的嚴謹研究。就像在旺角的嘈雜街頭尋找熟悉的口音，SETI嘗試在宇宙的雜訊中找尋那一縷「人工」的訊號，證明在遙遠的星海有另一群能思考、能溝通的存在。

什麼是 SETI？與找生命不一樣嗎？

SETI專注搜尋智慧生命發出的可偵測訊號，重點是「文明」而非單純的生物。天文學上，尋找生命大致有兩條主線：
– 天體生物學（Astrobiology）：尋找可居住環境與生命跡象，例如系外行星大氣中的氧氣(O2)、甲烷(CH4)等生物標誌(biosignatures)。
– SETI：尋找「技術特徵」(technosignatures)，即文明活動留下的訊號，如窄頻電波、雷射脈衝、巨型工程的熱輻射。

若把宇宙比作無線電廣播的海洋，天體生物學是在找「哪裡可能有電台」，SETI則是嘗試「直接收聽某個節目的電波」。兩者互相補充：當我們知道哪些系外行星位於宜居帶(habitable zone)，SETI就能更聚焦地指向這些目標進行深度觀測。

為何相信值得搜尋？德雷克方程的啟發

1961年，法蘭克·德雷克(Frank Drake)提出德雷克方程(Drake Equation)，把「銀河系中可通訊文明數量」分解為多個可估參數：恆星形成率、行星擁有率、可居住行星比例、生命出現機率、智慧出現機率、能發出可偵測訊號的文明壽命等。雖然各項參數仍有巨大不確定，但近三十年的系外行星(Exoplanet)發現激增，已把其中幾項（如行星普遍度）從猜測變成統計。這讓SETI不再是盲射，而是有策略地押注於可能性最高的目標。

人類都在聽什麼？從電波到雷射

以日常類比：如果朋友在山的另一頭喊你，你能聽到的最佳方式不是靠空氣傳聲，而是用對講機。對宇宙而言，電磁波特別是無線電波和光學雷射是最「長程」「低耗損」的傳訊方式。

– 無線電SETI（Radio SETI）：
– 窄頻連續波（narrowband continuous wave）：頻帶極窄，幾乎不自然產生。一旦發現類似「針尖般薄」的訊號，便是強烈的人工候選。
– 掃頻訊號（drifting tones）：由於地球與目標天體相對運動，訊號頻率會緩慢漂移。演算法會補償多種漂移率(drift rate)來搜尋。
– 頻段選擇：著名的「水洞」(water hole)頻段，約在1.4–1.7 GHz之間，夾在氫(1.42 GHz)與氫氧(OH)自然譜線之間，被視為宇宙中相對安靜且具象徵意義的頻窗。

– 光學SETI（Optical/Infrared SETI）：
– 雷射脈衝（laser pulses）：極短、極亮的光脈衝即使跨越數百光年也可能被偵測。相對於星光的連續光譜，雷射脈衝像夜空中的相機閃光，十分醒目。
– 近紅外觀測：紅外光在星際塵埃中的散射與吸收較低，有機會把可通訊距離推得更遠。

我們如何「聽」？儀器與計畫總覽

– Allen Telescope Array (ATA)：位於加州，由一群小口徑天線組成的干涉陣列(Interferometer)。優勢在於可以同時指向多個目標、快速掃描不同頻段。
– Green Bank Telescope (GBT)：美國西維吉尼亞州，世界最大的可轉向單碟電波望遠鏡之一。Breakthrough Listen計畫在此進行大規模頻譜掃描。
– Parkes / Murriyang（澳洲）：歷史悠久的電波台，也參與多個SETI與快速電波爆發(FRB)計畫，技術上彼此促進。
– MeerKAT（南非）與未來的平方公里陣列（SKA, Square Kilometre Array）：覆蓋南半球大範圍天空與寬頻帶感測，將大幅提升靈敏度與資料量，對SETI是質的飛躍。
– 光學與近紅外設施：如Lick天文台、Keck與VLT等在進行雷射脈衝搜尋，未來的極大望遠鏡（ELT, TMT, GMT）可望提升時間解析與靈敏度。

Breakthrough Listen：近年的旗艦計畫

2015年啟動的Breakthrough Listen是目前規模最大的SETI計畫。重點包括：
– 目標選擇：高優先系外行星宿主星、附近恆星（數千顆）、銀河中心、以及一些星系。
– 頻譜範圍：涵蓋1–11 GHz等寬廣頻段，並持續擴展到毫米波與光學。
– 數據規模：每年產生數PB（拍位元組），需要高效能運算與雲端儲存。
– 公開資料：鼓勵科學家與公眾參與分析，開源工具降低門檻。

雖然目前尚未發現被廣泛承認的地外人工訊號，但該計畫已建立標準管線、數據品質管理，以及與射頻干擾(RFI, Radio Frequency Interference)辨識的最佳實務，成為社群共同的基準。

RFI：最難纏的「雜音」

在香港用收音機時，電車、地鐵、Wi‑Fi都會干擾。同樣地，地面與近地軌道的人造訊號是SETI最大的假象來源：衛星星座、飛機雷達、5G基地台、甚至望遠鏡自身電子設備。典型處理方法：
– 多站同觀（multi-site coincidence）：若同一時間不同地點都收到，較可能是天文源；若只有一站有，可能是本地RFI。
– 旁瓣檢查(side-lobe tests)：旋轉天線或切換指向，若訊號不隨天體移動，可能是干擾。
– 頻譜指紋：很多通訊協議有特徵調變與頻跳模式，可被機器學習分類為RFI。
– 重複性與漂移率測試：自然與人造訊號的頻率漂移特徵不同，可設門檻篩選。

演算法與AI：在海量資料中找「針」

SETI的關鍵在資料處理。核心步驟包括：
– 去趨勢與頻譜化：把時間序列轉成頻譜，尋找窄頻尖峰，並補償地球自轉、公轉造成的多普勒漂移(Doppler drift)。
– 候選提取：以信噪比(SNR)與持續時間作初篩，再進行群集分析(clustering)把重複出現的頻率群組起來。
– 機器學習：卷積神經網路(CNN)與變分自動編碼器(VAE)用來辨認異常形態，像在海關X光機中找出不尋常的行李。近期研究亦利用自監督學習與異常偵測(anomaly detection)減少人工審閱負擔。
– 可重現性與開放科學：發布原始資料與處理程式碼，讓獨立團隊交叉驗證，避免「發現」只是一時的統計波動或管線偏差。

除了電波：其他技術特徵

– 巨型結構（如「戴森球」Dyson sphere）：若文明在大規模收集恆星能量，可能在中紅外出現多餘熱輻射。觀測如WISE、Spitzer與未來的JWST數據可用來篩選紅外過量(infrared excess)。
– 大氣技術氣體(technogases)：若在系外行星大氣看到工業產物，如氯氟烴(CFCs)等非自然生成的化學物，可能是文明活動跡象。這需要高光譜解析的凌日光譜(transit spectroscopy)。
– 同步星際時鐘或脈衝訊號：精準、規律、非自然的時間結構可能來自通訊或航行導航網路。
– 光度異常：行星或衛星表面出現夜間光（夜間城市光的類比）在目前靈敏度下很難，但概念上屬於可檢測的技術特徵之一。

搜尋策略：盲掃與定向觀測

– 盲掃(all-sky survey)：像在街市繞場一圈，廣而淺，尋找亮而明顯的訊號。優勢是覆蓋全面，但對微弱訊號不敏感。
– 定向觀測(targeted search)：把時間集中在高優先目標，如近距離的日矮星、已知有地球大小行星的系統（如TRAPPIST-1、Proxima Centauri）。這像是打電話給你最可能的朋友，而不是隨機撥號。
– 多波段協同：同時在無線電與光學觀測，若兩者同時出現異常，可信度大增。

我們會發訊號嗎？主動SETI的爭議

主動對外發訊（METI, Messaging to Extraterrestrial Intelligence）就像在夜裡打開探照燈。支持者認為文明若常壽，早已知道我們的存在；反對者則憂慮風險不可知。科學界目前較主流的是被動傾聽，並在國際層面討論倫理與政策框架。實務上，地球早已不「安靜」：雷達、廣播與行星雷達反照都在宇宙中留下地球的電磁足跡，但這些訊號是否在遠距離可被解析，仍有巨大不確定。

假如真的收到訊號：驗證與應對

– 多台望遠鏡獨立驗證、跨洲同步觀測。
– 長期追蹤：確認訊號是否可復現，是否與天體運動一致。
– 向國際天文聯合會(IAU)與SETI社群發布初步通報，遵循既定協議。
– 開放資料：最大化透明度，避免陰謀論，讓全球團隊參與分析。
– 釐清內容：若是可解碼訊息，需要跨學科（語言學、資訊理論、數學）協作。保守原則是不主動回覆，直到有國際共識。

為何到現在還沒找到？「大寂靜」與可能解釋

這就是所謂的費米悖論(Fermi Paradox)：若宇宙廣袤且古老，為何我們尚未看到明顯的跡象？常見的科學解讀包括：
– 時間窗不重疊：可通訊文明壽命(L)也許短暫，互相錯過。
– 傳輸經濟學：宇宙太大，用定向窄束傳訊較划算，除非剛好對準我們，否則難以偵測。
– 技術選擇偏差：先進文明可能使用我們尚未想像、或不會外洩的通訊方式（例如量子重複器網路、極低功率近場通訊等）。
– 監測倫理：文明自我隱藏，或遵守「不干涉原則」。
– 我們的方法尚未足夠：靈敏度、頻段、時間覆蓋仍然不足，而資料分析的AI也還在進化。

原來在香港也能參與

– 公開資料分析：Breakthrough Listen等計畫發布大量原始與預處理數據。即使在家，一台筆電也可參與候選檢索或開發濾波器。
– 分散式運算：類似早年的SETI@home，新一代平台與容器化工作流讓志願運算更容易。
– 教育與社群：加入天文學會、科普講座，從射電基礎、訊號處理到機器學習，建立跨領域技能。
– 親子或學校專題：用軟體定義無線電(SDR)體驗頻譜觀測、RFI分類，培養資料思維與科學方法。

近年研究亮點與前沿

– AI驅動的異常偵測：在GBT與Parkes資料中找出過去被傳統門檻忽略的候選，顯示AI可擴展我們的「第六感」。
– 多信使天文學(Multi-messenger)概念延伸：把重力波、快射電暴(FRB)、高能中微子事件作為「觸發」，在事件窗口內同步搜尋技術特徵，提高命中率。
– 高解析度光譜學：次米每秒等級(radial velocity)校準與穩定度推動雷射脈衝搜尋進步，縮小假陽性。
– 紅外技術特徵：利用寬視場紅外巡天尋找大尺度工程的熱跡象，建立統計學上的上限限制(upper limits)。

如何評估「沒有發現」的價值

科學不只是「找到什麼」，也包括「排除什麼」。每一次沒有發現，都能轉化為上限限制：
– 在某距離內、某頻段、某功率以上的窄頻訊號不存在的機率上升。
– 在某類恆星周圍，不存在特定型態的雷射脈衝的上限。
– 在銀河系局部區域內，沒有廣播式全向發射的大功率文明。
這些限制像地圖上的空白被填上「這裡大概不是」，讓未來的資源配置更聰明。

科學方法的堅持：懷疑與可證偽

SETI容易引發想像與誤解，因此更需要嚴格的可證偽(falsifiability)與系統性的懷疑：
– 所有候選都要能被他人重現。
– 先假設是RFI，直到證據迫使否認。
– 不以單一異常即下結論，要經過長期、多波段、多站、可重現的檢驗。

結語：在宇宙中留一盞燈

當我們在香港夜裡抬頭，看到的也許不多，但那份好奇是共享的。SETI不是一時的浪漫，而是耐心、技術與合作的結晶。它要求我們像收聽微弱電台一樣細心，也像整理海量相片一樣嚴謹。即使現在仍未聽到回音，過程中的技術累積——從訊號處理、AI到新型望遠鏡——都反過來推動整個天文學前進。

或許未來某天，我們在頻譜上看到一條不尋常、穩定而規律的細線，像是來自遙遠朋友的一句「喂，喺度嗎？」