趣談：一直以來(lái)，外星無(wú)線(xiàn)信號(hào)可能都被錯(cuò)過(guò)了

確定系外行星軌道許是找到外星人關(guān)鍵。為什么呢？

系外行星所處的軌道類(lèi)型可能導(dǎo)致天文學(xué)家錯(cuò)過(guò)來(lái)自該行星的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。

這是一位藝術(shù)家對(duì)多個(gè)系外行星的軌道周期、傾角和偏心率的描繪。外星人可能從這些行星上發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。

（圖片來(lái)源：Zayna Sheikh/扎伊娜·謝赫（這種是否不需要翻譯？））

由于新的研究成果縮小了外星無(wú)線(xiàn)電信號(hào)由于其母星圍繞恒星的軌道所產(chǎn)生的多普勒頻移而導(dǎo)致的頻率漂移范圍，搜尋外星智能（SETI）的工作很可能會(huì)因此而加快。

多普勒頻移是指發(fā)射器的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)頻率的延長(zhǎng)或縮短。如果發(fā)射器遠(yuǎn)離我們，波長(zhǎng)就會(huì)變長(zhǎng)，頻率就會(huì)降低；如果發(fā)射器向我們移動(dòng)，波長(zhǎng)就會(huì)縮短，頻率就會(huì)升高。這就導(dǎo)致信號(hào)隨著發(fā)射器的移動(dòng)而在一定頻率范圍內(nèi)“漂移”。（想想警笛或救護(hù)車(chē)?guó)Q笛的聲音是如何在靠近你和經(jīng)過(guò)你時(shí)發(fā)生變化的）。

系外行星的軌道運(yùn)動(dòng)和日自轉(zhuǎn)，加上地球自身的軌道運(yùn)動(dòng)和日自轉(zhuǎn)，都會(huì)造成從系外行星發(fā)射并在地球上接收的任何信號(hào)的頻率漂移。射電天文學(xué)家知道，地球的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)造成0.019納赫茲（nHz）的漂移率，而地球自轉(zhuǎn)又會(huì)造成0.1納赫茲的漂移率。在分析信號(hào)時(shí)可以考慮這些漂移。雖然天文學(xué)家并不總能知道系外行星的旋轉(zhuǎn)速度——潮汐鎖定行星是個(gè)例外，它們的日長(zhǎng)與年長(zhǎng)相同——但他們可以測(cè)量系外行星的軌道周期，并從這一數(shù)字中推導(dǎo)出最大頻率漂移。

漂移率取決于系外行星的軌道特征——它的軌道相對(duì)于我們的傾角、它的軌道離圓形軌道有多遠(yuǎn)以及它的前傾或擺動(dòng)程度。機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠篩選數(shù)據(jù)，尋找顯示漂移率的信號(hào)，需要漂移率的最大值，以便限制搜索范圍。搜尋外星智能通常假定頻率漂移值很小，小于10納赫茲，但之前根據(jù)對(duì)已知最極端系外行星軌道的實(shí)際測(cè)量計(jì)算得出的漂移率上限為正負(fù)200納赫茲。

使用正負(fù)200納赫茲作為最大漂移率需要增加計(jì)算資源，從而降低了分析搜尋外星智能搜索數(shù)據(jù)的速度。

現(xiàn)在，由加州大學(xué)洛杉磯分校研究生梅根·李（Megan Li）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過(guò)對(duì)大約5300顆真實(shí)系外行星進(jìn)行建模，能夠?qū)⑾低庑行擒壍肋\(yùn)動(dòng)引起的漂移率最大值細(xì)化并降低到正負(fù)53納赫茲。

這意味著，對(duì)于99%的行星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，從遙遠(yuǎn)的系外行星上探測(cè)到的信號(hào)頻率預(yù)計(jì)會(huì)以正負(fù)53納赫茲的最大速率漂移。這一新結(jié)果更為精確，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是系外行星軌道上所有點(diǎn)的漂移率，而不僅僅是漂移率最大值處。由于該值低于正負(fù)200納赫茲，因此可以減少所需的計(jì)算資源，加快搜索速度。研究小組成員說(shuō)，還有進(jìn)一步降低的余地。

“53納赫茲的數(shù)值是針對(duì)我們目前已知的所有行星的，但它包含了一些使數(shù)值更高的誤差值，因?yàn)榱枞障低庑行堑钠坡时确橇枞障低庑行歉撸逸^大的系外行星比小系外行星漂移率更大?！泵犯だ罱邮芴站W(wǎng)電話(huà)采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。（從我們?cè)诘厍蛏系囊暯莵?lái)看，凌日系外行星會(huì)掠過(guò)它們的宿主恒星。）

目前已知的系外行星目錄并不能完全代表更廣泛的系外行星群。目前的探測(cè)方法仍然偏愛(ài)離恒星較近的較大行星，因?yàn)樗鼈冏钊菀妆话l(fā)現(xiàn)。因此，為了盡量避免任何偏差，李的研究小組還測(cè)量了5000多顆模擬行星的最大漂移率，我們可能認(rèn)為這些模擬行星在軌道特征方面更能代表系外行星的真實(shí)數(shù)量，它們的行星尺寸更小、軌道周期更長(zhǎng)、軌道傾角分布更均勻。想象中的行星被分成20組，每組由5286個(gè)世界組成，其中10組的軌道接近圓形，10組的軌道越來(lái)越不圓（稱(chēng)為偏心）。李的研究小組從中得出了更低的漂移率——低偏心率軌道的漂移率為正負(fù)0.27納赫茲，高偏心率軌道的漂移率為正負(fù)0.44納赫茲。

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- 機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)8個(gè)潛在的技術(shù)信號(hào)

這些數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正負(fù)53納赫茲的計(jì)算漂移率。

李說(shuō)：“正是這些偏差使得漂移值高達(dá)53納赫茲?！蔽覀冋J(rèn)為，在大多數(shù)情況下，真正的漂移率會(huì)更接近0.44和0.27納赫茲這兩個(gè)較低值。

隨著航天局的行星凌日和恒星振蕩（PLATO）等接下來(lái)的任務(wù)在未來(lái)發(fā)現(xiàn)更多的外星世界，根據(jù)真實(shí)的系外行星數(shù)據(jù)計(jì)算出的最大漂移率應(yīng)該能夠更接近模擬結(jié)果中的數(shù)值。這將使搜尋外星智能信號(hào)分析的效度更高。

漂移率是判斷信號(hào)是否來(lái)自深空的一種方法，盡管它并非萬(wàn)無(wú)一失。來(lái)自地球上發(fā)射機(jī)（手機(jī)、機(jī)場(chǎng)雷達(dá)等）的射頻干擾（RFI）的漂移率為零，因?yàn)樗鼈兣c我們的接收機(jī)都在地球上。低地軌道衛(wèi)星的漂移率通?？梢院雎圆挥?jì)，但有些衛(wèi)星，如SpaceX的星鏈（Starlink）巨型星座和政府的GPS網(wǎng)絡(luò)，它們的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)確實(shí)會(huì)出現(xiàn)一些頻率漂移。

梅根·李說(shuō)：“我們可以試著找出這些衛(wèi)星的漂移率，這樣一旦出現(xiàn)射頻干擾（經(jīng)常出現(xiàn)這種情況），我們就可以把這些數(shù)據(jù)排除?！?/p>

搜尋外星智能的目標(biāo)已多達(dá)一百萬(wàn)顆恒星，因此能夠快速分析數(shù)據(jù)對(duì)于避免堵塞和在潛在外星信號(hào)關(guān)閉之前發(fā)現(xiàn)它們非常重要。研究小組成員說(shuō)，計(jì)算漂移率似乎是一個(gè)技術(shù)難題，但它對(duì)加快搜索速度至關(guān)重要。例如，在南非MeerKAT射電望遠(yuǎn)鏡陣列上開(kāi)展的搜尋外星智能項(xiàng)目“突破聆聽(tīng)（Breakthrough Listen）”中，新發(fā)現(xiàn)將把計(jì)算成本和搜索時(shí)間提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。最后，如果外星人真的存在，我們現(xiàn)在可以更快地找到它們。

發(fā)表于2023年11月《天文學(xué)雜志》。

BY:Keith Cooper

FY:親愛(ài)的考拉

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