详解：外星先进文明会如何利用恒星进行交流或当做望远镜窥探

作为一个先进的文明，交流和通讯是必备的技术。外星人会怎样与家人和朋友交流呢？也许是像我们一样使用语音或拼写工具，也许是挥舞根擀面杖甚至是块石头？谁又知道呢？

星际通讯

实际上，星际间通讯的现实要更为复杂。太空真的很大。穿越虚空传输信号所需的能量是巨大的。然而，根据一组科学家（斯蒂芬·克尔比和杰森·t·赖特）最近的研究表明，我们可以利用太阳系内置的自然信号增益提升（太阳系恒星的引力透镜），而不是使用超高功率发射器。将一系列的恒星连接成节点，可以在银河系浩瀚的区域接收信号。或许，我们还能够探测到我们的太阳，是否已经是一个外星星系通信网络的一部分。

上图：在太阳系遥远的地方，卫星可以利用太阳对光的自然聚焦来进行空间通信。

就像把一个重球放在蹦床上，一个大质量的物体，比如恒星，会使空间本身弯曲，形成一个“重力井”。穿过弯曲空间的质量和能量都将遵循这条曲线。例如，我们围绕太阳的轨道实际上就是地球沿着恒星质量在空间中形成的曲线运行。当光在空间中传播时，它的路径也会遵循这些曲线，导致光发生弯曲。这种效果类似于光被玻璃透镜弯曲，这就是为什么重力引起的光线弯曲被称为“引力透镜”的原因。就像透镜一样，恒星可以聚焦遥远的光源，如无线电信号，极大地提高信号增益，或者同样地聚焦输出信号以获得更好的传输。我们的望远镜也可以看到引力透镜，称为“爱因斯坦环”，因为爱因斯坦在相对论方面的工作证明了质量曲线空间。

上图：重力井的模拟。由一个巨大的物体如行星造成的空间扭曲。月球在地球的引力作用下运行，使其保持在轨道上

当我们的太阳引力聚焦光时，接收或发射航天可以沿着一条轴线放置，这条轴线位于信号可能产生的遥远目标恒星、太阳和太阳聚焦目标恒星信号的焦点线之间。此时，目标恒星正对着航天器，位于太阳的另一侧，航天器看到的不是透过太阳，而是围绕着太阳，因为太阳引力使光线在自身周围发生弯曲。把它想象成一个眼球 —— 太阳是你眼睛的晶状体，宇宙飞船位于你视网膜的后部（但光线绕过“晶状体”玻璃，而不是穿过它）。

接收到信号后，航天器可以将信息传递到地球，或将信号发送到另一个位于太阳周围的发射器/接收器，该发射器/接收器与另一颗遥远的目标恒星对齐，以向前转发信号。与另一个恒星系统的连接，需要另一艘驻扎在遥远目标恒星上的飞船。当然，我们还没有建立这样的网络，但也许其他外星文明已经建立了。

很远的地方

利用相对论，我们可以测量出太阳在太空中的最小焦距，550 AU（天文单位），大约是冥王星距离的13倍。目前，我们距离最远的探测器是1977年发射的旅行者1号，经过44年的飞行，它在太空中飞行了154.7 AU（以光速计算大约需 21.5小时）。550AU仅代表来自目标的光围绕太阳表面弯曲的最小焦距，而不是消失在太阳本身中。一些目标可能会被太阳聚焦到更远的太空中。以我们目前的技术，我们可以把宇宙飞船停在那么远的地方，但要花很长时间才能到达那里。随着我们推进技术的进步，这样的任务变得更加可能。

太阳的引力透镜能获得多少信号增益？很多。研究中的估计表明，由太阳聚焦的入射传输可以增加120db（分贝）的增益。10分贝的范围表示强度增加了10倍……因此信号增益增加了10万亿倍 —— 相当于从几乎听不见的耳语到现场摇滚音乐会。增加的增益意味着不必部署超级强大的发射机来强行穿越虚空发送信息，也不必部署超灵敏的接收机。我们可以利用太阳引力产生的更有效的自然信号增益。

科学家们表示：“恒星的工作原理就像透镜，这意味着它们提供了一种自然而强大的方式来跨越星际距离增强信号。可以用山顶和手机信号塔做个类比：当然，你可以在山顶不设置任何信号塔的情况下建立手机网络，但如果山顶确实存在，你为什么不使用它们呢？所以，如果真的有一个“银河互联网”存在，它不利用这些透镜，那将是令人惊讶的。”

用推进器保持焦点位置

能保持住焦点将是一个挑战。利用推进器，在理想的焦点位置发射或接收信号的航天器，需要将相对于太阳的位置保持在一百米以内。想想看，在数十亿公里以外的地方，定位精度是多少。精确对准，将需要航天器针对导致未对准的两个主要原因进行自动调整。第一个是来自太阳本身的向内引力。在极端焦距下，太阳的引力相对于太阳系行星的轨道来说是相对微弱的。但是，失去推力仍然会导致航天器以偏心的“彗星状”轨道坠入太阳系，最终在几千年后坠入太阳本身。

上图：由发光的红色星系LRG 3-757创造的“爱因斯坦环” —— 图像中心的红点。环绕该星系的马蹄形是背景中位于LRG 3-757后面的一个更遥远的星系。更遥远的背景星系射入的光线在前景的LRG 3-757周围弯曲，这是由于引力透镜作用，使我们能够看到更遥远的星系，尽管它在前景星系的后面。

未对准的第二个主要原因是太阳的摆动运动。一颗恒星的行星的轨道，尤其是像木星这样的巨大气体巨星，会导致恒星在其行星施加引力时发生摆动。我们太阳的摆动是遥远的目标恒星、太阳和通信航天器之间最大的对齐中断。通信飞船可以配备一个光学瞄准镜，可以使用其他恒星的相对位置，将位置信息传递给飞船的制导计算机。或者，望远镜可以指向太阳，以确保接收信号的目标星固定在太阳的爱因斯坦环中。正如上面“LRG 3-757”的爱因斯坦环图片显示了一个遥远的背景星系如何围绕着一个更近的前景星系发光一样，从飞船的角度来看，一个遥远的目标恒星接收到的信号会像一个环绕太阳的光环。

上图：由于恒星太阳系中的一颗行星的轨道而引起的恒星摆动效应。

在一个假设的网络中，哪些恒星会是理想的节点？科学家建议寻找需要较少焦距调整的球状恒星，从而减少航天器的燃料消耗。球状恒星对信号的失真较小。即使我们的太阳也不是完美的球形。自转速度较快的恒星会向赤道凸起，因而不太理想。质量更大、引力更大的恒星对航天器产生的拉力越大。拥有更多行星的恒星，或者在近轨道上有气体巨星的恒星（热木星）会有更明显的摆动，需要更大的推力才能保持焦点位置。有伴星的恒星，无论是双星或三星系统，都会有更明显的摆动。

上图：眼睛是如何聚焦光线的。假设远点是遥远的目标恒星，透镜是太阳的引力透镜效应，视网膜是接收通信航天器的地方。

拥有更高效推进系统的通信航天器，可以在更长的时间内保持位置和聚焦。以太阳为例，使用化学火箭推进的宇宙飞船可以保持聚焦位置几百年。考虑到光在我们星系中恒星之间的旅行时间（几十年、几百年甚至几千年），这并不是一段很长的时间。使用离子推进器，我们现在的一些卫星和探测器已经使用离子推进器，你可以保持近一千年的聚焦。但如果你是一个拥有更先进推进技术的外星文明呢？

我们进入这个圈子了吗？

我们已经在试验以聚变为基础的火箭，它可以稳定航天器数万年。在我们目前的技术之外，还有一个反物质推进系统，它可以稳定航天器数百万年，但这只是在理论上是可能的。像反物质这样的奇异推进器，可能比其他形式的推进器更容易被探测到，这意味着如果我们的太阳系中已经有一架由其他文明放置的通讯飞船，我们可能会看到它。

我们说的“已经”是什么意思？科学家指出，太阳目前有可能是一个通信网络的成员，是承载外星通信飞船的众多节点中的一个。我们怎么会没有意识到呢？好吧，如果一个外星飞船正在使用我们太阳的引力透镜，它将很难被探测到，因为它将在数百个天文单位之外。这是未来人造物SETI研究的一个感兴趣的领域（搜索外星智能，搜索外星人）。一个奇特的推进系统可能会泄露秘密。此外，引力透镜聚焦的信号被塑造成一个狭窄的锥体，地球可能无法绕其轨道运行。如果地球不通过这个信号锥，一个外星通信云网络就会在未被发现的情况下穿过我们的太阳系 —— 如果有外星文明使用引力透镜信号，这是对银河系保持安静的解释。

对此，科学家们解释道：“如果外星人能够克服我们所研究的工程挑战，他们就可以利用引力透镜在一个巨大的通信节点网络中跨星系发送信息。它们可以克服广阔的空间，更可靠地交流。虽然我们需要进行观察，以确定太阳或其他恒星是否被用于这一目的，但它也为人类在遥远的未来如何跨星系交流提供了蓝图。”

假设，引力透镜已经被用于星际通信，并且某些恒星系统可能比其他系统有更好的接收/发射点，我们可以将无线电SETI（使用无线电传输搜索外星生命）搜索范围缩小到这些理想的系统。如果对邻近恒星系统进行更全面的调查，就会发现它们是否是更好的网络候选者 —— 摆动较小的球形恒星。然后，我们就可以从太阳系中与它们位置相反的区域寻找出/入的信号，在那里，它们的光会被太阳聚焦到一个潜在的发射/接收飞船上。

科学家们还提出了另外两种保持焦点站位的方法。首先，你可以在通讯航天器用来加油的理想聚焦位置附近放置一个燃料库。第二，整个星座的通信飞行器可以被放置在太阳轨道上。每一个都会保持短暂的焦点位置，然后让自己偏离位置，绕太阳公转，然后回到原来的位置。航天器将与其他探测器一起按顺序重复这一轨道，这样每个航天器都可以降低所需的总燃料成本，同时保证至少有一个航天器始终保持在焦点上。如果一个外星文明在一个系统中使用多个飞行器，那么就有更好的机会检测到单个飞行器。

超级望远镜

上图：詹姆斯韦伯太空望远镜6.5米主镜。相比之下，哈勃太空望远镜的镜面只有2.4米。

经过多年的延迟，备受期待的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）即将发射（暂定于今年12月18日）。詹姆斯·韦伯望远镜最近完成了从海上前往法属圭亚那发射场的旅程。下一代望远镜将提供前所未有的宇宙视野。但就像太阳的透镜效应提高信号增益一样，这种效应也会放大遥远的恒星系统和其他宇宙物体，创造出一个巨大的超级望远镜。引力望远镜将比我们创造的任何东西都要强大得多，能够让我们像观察太阳系的行星一样清晰地观察系外行星！

与此同时，我们也热切地等待第一批JWST图像。如果我们真的发射了一个引力透镜望远镜/发射器，也许我们会发现另一个来自别人（外星文明）的！难以置信的是，也许，也许已经有一条通讯高速公路通过我们的系统。谁知道我们错过了什么对话 —— 古老的行星调查，新的先进技术，星际外卖订单？也许我们会发现的！

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