每日一句: Build your own dreams, or someone else will hire you to build theirs. 打造自己的梦想,否则你就会被雇用去打造别人的梦想。 跟读

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2017年8月19日 星期六

丁酉(鸡)年闰六廿八

SETI(SearchforExtraTerrestrialIntelligence,搜寻地外文明计划)
搜寻地外文明计划(SETI)致力于用射电望远镜等先进设备接收从宇宙中传来的电磁波,从中分析有规律的信号,希望借此发现外星文明。

志愿者可以通过参与SETI@home项目加入到搜寻地外文明计划。

1 关于SETI——搜索未知的生命
2 SETI——无线电波的搜索
2.1 我们用什么来搜索?
2.2 调谐你的“耳朵”
3 SETI@home是如何工作的?
3.1 堆积如山的数据
3.2 数据包的分解
3.3 发送出的数据
3.4 SETI@home在寻找什么?
3.5 搜索脉冲信号
3.6 如果我的计算机发现了外星人
4相关链接

关于SETI——搜索未知的生命
天鹰座星云(Eaglenebula),M16M16是一团由星际尘埃和气体组成的巨大星云,它以酷似雄鹰而得到鹰状星云的美称。
天鹰座星云(Eaglenebula),M16
M16是一团由星际尘埃和气体组成的巨大星云,它以酷似雄鹰而得到鹰状星云的美称。
1995年,哈勃太空望远镜在可见光波段拍摄的“老鹰心脏”的特写照片,那是三个充满了气体和尘埃的巨大的柱状体。可以看见柱子里有正在形成的恒星,两个柱子的顶端有一些大质量的年轻恒星,或许是较小的恒星组成的星团。另外,散布在柱子表面还有大约十几颗小质量的恒星,似乎是与柱子里面的蒸发气体球状体有关系。
1995年,哈勃太空望远镜在可见光波段拍摄的“老鹰心脏”的特写照片,那是三个充满了气体和尘埃的巨大的柱状体。可以看见柱子里有正在形成的恒星,两个柱子的顶端有一些大质量的年轻恒星,或许是较小的恒星组成的星团。另外,散布在柱子表面还有大约十几颗小质量的恒星,似乎是与柱子里面的蒸发气体球状体有关系。

“接触”,“星际迷航”,“巴比伦5号”,“星球大战”,“外星人”以及其他所有这样的词汇都有一个共同点,那就是他们都和外星文明及其与人类之间的关系有关。在描写未来的科幻小说里,有的将外星人描写为友善的,而有的将外星人描写为有敌意的,但大多数外星人都具有人类的某些特性。我们中得很多人都希望,有一天能够见到(友善的)外星人。我们会在相互的交流中学会并发现很多东西。我们现在要做些什么才能实现这种愿望呢?


如果假设我们的外星邻居们在试图与我们接触,我们也应该寻找他们。目前我们已经启动了若干个计划,用来搜索在宇宙中的其他地方存在着生命的证据。这些计划总称为“SETI(theSearchforExtra-TerrestrialIntelligence)”。


我们的太阳只是银河系中大约4000亿颗恒星中的一颗;银河系也只不过是宇宙中数十亿星系中的一个。所以看起来似乎应该有很多的生命存在,我们是否可以做一个初步的估算?第一个做这件事的人是天文学家弗兰克德瑞克(FrankDrake)。他利用了一个很简单的方程式,现在我们称为“德瑞克方程(DrakeEquation)”,来计算存在其他生命的可能性。方程式非常容易理解,所以别担心,即使是你的数学不是你的强项也没关系。方程式是这样的:


N=R×f(p)×n(e)×f(l)×f(i)×f(c)×L

*“N”代表的是在我们的银河系里面可以沟通的文明的数量,它取决于很多因素。
*“R”代表在银河系中“合适的”恒星形成的速度。
*“f(p)”代表有行星的恒星的比例。
*“n(e)”代表在每个恒星的行星中存在着合适的生物圈的恒星的数量。生物圈是指在恒星的一定范围之内的,并且适合于生命形成的环境。离恒星太近,就会太热;而离恒星太远,就会太冷。
*“f(l)”代表那些能够让智慧生命进化发展的行星的分数(比例)。
*“f(c)”代表那些行星上的智慧生命能够达到一定的科技并且试图和外界交流的的行星的分数(比例)。
*“L”代表智慧的,可交流的文明所存在的时间的长短。让我们简要的看一下这些因素,试着用一些比较合理的数字来代替他们。


虽然毫无疑问的,“合适的”恒星的形成的速度要比银河系的形成要快的多,我们现在仍然可以“看到”新的恒星的诞生。让我们看一看这些美丽的图片,他们是哈勃太空望远镜(HubbleTelescope)拍摄的天鹰座星云(Eaglenebula)和猎户座星云(Orionnebula),这些星云被称为“恒星的托儿所”。在这里,巨大的星云气体坍塌形成恒星。一个比较好的关于恒星形成速度的数值是每年20颗恒星,所以R=20。


猎户座星云(Orionnebula),M42猎户座星云是一个非常年轻的天体,那里不但有许多年轻的恒星,而且还有许多星前天体。M42是一个美丽的星云,是恒星诞生的摇篮。
猎户座星云(Orionnebula),M42
猎户座星云是一个非常年轻的天体,那里不但有许多年轻的恒星,而且还有许多星前天体。M42是一个美丽的星云,是恒星诞生的摇篮。

许多这样的星云都会自转。随着他们的坍塌,星云会越转越快,就象滑冰运动员举起她的胳膊时一样越转越快,这样会形成碟状的气体团。在碟状气体中心,会形成主要的恒星;逐渐向外侧,小的气体漩涡会形成行星。到目前为止,我们还没有证据表明发现了太阳系以外的行星。最近几年,有一些由天文学家组成的小组声称发现了围绕邻近的恒星运转的行星(见与GeoffMarcy和DidierQueloz的访谈录)。这些令人兴奋的发现增加了其他行星围绕其他恒星运转的可能性。我们可以估计一下,由二分之一的恒星是由行星的,而另一半的恒星是双子星系统,所以f(p)=0.5。


n(e)这个参数有点儿麻烦。小型恒星一般是红色且温度比较低的。行星需要运行在离恒星比较近的轨道上才能处于恒星的生态圈内。而且这种生态圈的范围都比较窄,就象桔子皮一样,能过留给行星的空间很小。如果行星的轨道离恒星比较近,他们通常都是被“固定”住,永远是行星的一面对着恒星。在这样的行星上,背对恒星的一侧会及其寒冷,不可能会产生生命。另一方面,大型的,蓝色并温度比较高的恒星具有比较远和宽的生态圈。当然,从太阳系的情况来看,行星之间的距离进一步增加了他们到恒星的距离,所以所谓的比较宽的生态圈也由于这种情况而不存在了。恒星越大,它的能量就消耗的越快,它存在的时间就不会很长。它们的寿命是如此之短,以至于在它们形成新星或超新星并自我毁灭之前,生命都还没有产生。在我们的太阳系里,以中等大小,黄色的太阳为中心的生态圈里面,有两颗(地球和火星)或者三颗(金星)行星。那么处于“生命区”或者说生态圈(ecosphere)里的行星数量的保守估计是1,所以n(e)=1。


下一个参数,f(l)的定义是比较困难的。问题在于,我们只有很少的有关行星可以适合于生命进化的例子。如上面提到的,金星,地球和火星都应该具有合适的环境和条件。我们知道,在地球上发生了生命的进化,而且似乎现在也有证据表明数十亿年前火星上就存在着简单的生命形式。这个参数的保守估计是0.2,或者说五分之一的行星上具有可以让生命进化的合适的条件。所以,f(l)=0.2。


究竟有多少这样的星球能够孕育智慧生命?这是一个很难回答的问题。但是如果我们真的相信自然选择和适者生存的话,几乎所有的科学家都会认为这个数字应该是百分之百。也就是说,智慧生命是自然进化的结果。当然,我们只有一个这样的例子,那就是地球。所以,f(i)=1。


有多少智慧生命将会发展科技并用来与外界沟通?如果我们观察一下地球,我们会发现人类正在做这样的事情;但是我们也同时可以看到鲸鱼和海豚,它们也拥有一定的智力,但是它们却从来没有发展它们的科技。我们可以初步估计这个数字为0.5,即f(c)=0.5。


最后,我们要看看最难决定的参数了。“L”代表的是一个具有高度发达科技和可以沟通交流的文明所持续的年数。人类也不过仅仅处于进化的这一阶段中大约50年。难道发达的文明在发展科技到一定程度之后就会毁灭自己吗?还是它们结合在一起在问题发生以前就解决它了呢?现在我们先不用数字来代替“L”,让我们先代入其他数字,看看我们可以得到什么。


N=R×f(p)×n(e)×f(l)×f(i)×f(c)×L

N=20×0.5×1×0.2×1×0.5×L


发达文明能不能利用他们的科技解决问题还是自我毁灭?我们已经在地球上已经生存了50年。
将所有的数字都代入等式,我们就得到了N=L。换句话说,在银河系里,智慧的可以沟通的文明的数量就等于这样的文明存在的年数。我们所用的计算方式至少给我们了一些很有意义的启示。很多科学家认为,如果一个文明能够在开始就克服科技发展而带来的毁灭自己的趋势,那么这个文明可能会持续非常长的时间。我们希望那些科学家是正确的。在任何情况下,文明至少应该持续50年(这也正是我们所开始经历的50年),而且如果文明可以存在上百万年的话,那么我们有可能能够寻找到上百万个文明。
[编辑]SETI——无线电波的搜索
如果你希望有更深入的了解,维基百科有一个主题关于:无线电
如果你希望有更深入的了解,维基百科有一个主题关于:无线电

SETI(TheSearchforExtraterrestrialIntelligence),地外文明的搜索是一项庞大的任务。我们应该从哪里开始,有应该如何做呢?在众多可以想到的方法中,我们必须要找到一种有效的方法。

首先,我们的外星朋友应该可以乘坐太空船旅行并访问地球,这也许是一种非常重要的交流的方式—面对面的交流。但是,无论是所谓的罗斯韦尔事件还是外星人的绑架事件,或者UFO的目击事件,都没有科学的证据表明外星人曾经访问过地球,一个也没有。星际之间的旅行需要花费如此大量的能量和时间,以至于一个比较“经济的”方法就是托管。只要做一些简单的计算,我们就可以证明,即使有人发明了装备有最高效性能的发动机的飞船(“星际迷航”的爱好者们都开心的想到那一定涉及到了物质和反物质),花上20年的时间,对离我们最近恒星,半人马座阿尔法星,做一次往返的旅行所消耗的能量,可以供给一百万个家庭使用三千万年!而且那还只能搭乘很少的几名乘客。那不是一个经济有效的交流方式,因为那样会消耗大量的能量,以现在的成本来计算,那将花费超过3×1016美元!你能够想象,任何一个外星政府会花费如此巨大的资源只派遣几个他们的成员做一次友好的访问吗?当然,他们可以发射成千上万的或者上百万个小型的探测器,用来表明他们的存在同时探测器也可以报告它们发现,但是这样还是会花费大量的时间和能量。尽管我们想相信那些空间弯曲,多维空间移动,或者其他从科幻小说中得到的奇妙想法,但是那些正如所被描述的那样,是科幻小说,是虚构的。

一张UFO的伪造照片
一张UFO的伪造照片

外星人会耗费以现在的成本计算的3×1016美元的能量来访问地球,并且直至少数几个人吗?那似乎不太可能。以无线电信号的形式接触才是更经济合理的。右边的照片就是一张UFO的伪造照片。

如果你只是想和居住在遥远地区或国家的亲戚朋友说声“你好”,你会怎样和他们联系呢?你会到他们那里去吗?可能不会。你只需要简单的拿起话筒打一个电话,或者你可以发一个邮件,又或者如果你有合适的设备的话,你甚至可以使用可视电话。所有的这些方法都要比乘坐飞机旅行经济有效而且是实时的。同样的,任何发达的文明都可能会采用最经济有效的方法进行沟通。

我们所知道的最好的方法是利用无线电波进行交流。通过无线电波发送信息是很便宜的,所使用的设备也是很容易建造的,而且无线电波也具有承载信息足够的带宽。这些信息也是以宇宙中最快的速度进行传送,那就是光的速度。太空飞船是无法达到这个速度的。而且,如果你使用无线电发送信息的话,你可以同时与不同方向上的许多不同的文明进行交流,而宇宙飞船是根本无法做到的!看看所有的我们使用无线电波的例子:无线电广播和电视,蜂窝移动电话,无线寻呼,所有的卫星通信,GPS导航,还有更多。在地球上,我们已经决定了最经济有效的方法。

那么如果我们打算搜索外星人试图与我们接触的无线电信号的话,我们还有一些其他的问题。当打开收音机的时候,我们需要决定我们想要收听的频率,或者说频道。你可以调谐不同的无线电波段—调幅(AM),调频(FM),短波(SW),业余频段(HAM),警用频段,气象频段等等—来收听我们想听的节目。同样,我们也需要调谐我们“宇宙的”耳朵来发现我们的外星朋友。电磁波频谱是非常非常庞大的,这里有些特殊的现象需要研究,也许它可以是“调谐”简单一些,至少可以帮助我们在宽大的电磁波频谱中找到一个比较合理的相对窄小的区域开始进行研究。

如果你将你的射电望远镜指向天空,就会发现各种各样的信号。有一些是来自银河系自身,也有一些来自我们的大气层。如果将这些不可避免噪声做成图表的话,你会注意到在低频部分的噪声很多,那时来自银河系的。同样由于大气层噪声,在高频部分也是很嘈杂的。在这两个嘈杂的区域之间你会发现一个相对平静区域—从大约1G赫兹到大约10G赫兹。(1G赫兹是10亿赫兹或者说每秒10亿次振动。这部分频谱正好是你的寻呼机和许多无线电话所用的频谱上面的部分。)

水洞(Thewaterhole)
水洞(Thewaterhole)

自然界提供了很好的方法来定义我们的频谱。宇宙中最简单的元素,在星际空间中存在着的中性氢气(H),在1.42G赫兹的频率上发出无线电信号。宇宙中的另一种分子,氢氧基(OH),散发的频率是1.64G赫兹。如果我们注意观察,氢(H)和氢氧基(OH),组合在一起就构成了水(HOH,通常为H2O)。正如我们作知,生命需要水才能够生存和发展。在这两种频段之间的频带,也就是从1.42到1.64G赫兹之间相对平静的频谱也因此被称为“水洞(Thewaterhole)”。那么你希望和基于水的智慧文明在那里相遇呢?当然是在“水洞”里面!这将是一个比较好的,而且比较有限的频带来开始我们现在的搜索。我们当然能够在以后的日子里扩展我们搜索的范围。

相干噪声(红色的部分)是由低频的银河噪声与高频的大气层噪声组成的。“水洞”(蓝色的部分)是指在氢(H)和氢氧基(OH)离子频率之间的部分。在“水洞”附近几乎没有噪声。

一个重要的因素是,信号越窄(即频率越准确),就更有利于我们的朋友来发送。对我们来说,窄带的信号也比较容易从普通噪声中识别出来。不过,对于比较窄的信号频率,也就意味着我们不得不从数以百万计的窄带信号寻找正确的那个。后面我们会继续讨论。

我们想要收到什么样的信号呢?我们应该寻找什么样的信号呢?这里有两种可能性。一是其他文明有意地发送一个信号用来引起我们的注意,或者,向我们一样,他们只是在做他们自己的事情,有些他们的无线信号“溜了出来”。地球就是这样无意间发射许多无线信号。我们的广播和电视的发射机有很强的功率,军用雷达的功率更强。我们发现这样的信号已经50年了,也就是说,我们的信号已经在发送到50光年以外的地方了。但是我们在科技上还是婴儿。看起来,我们应该试着搜索那些泄漏出来的信号并假设我们将会受到一些直接发送给我们的信息。

我们用什么来搜索?
阿雷西博天文台
阿雷西博天文台

当信号从信号源传播出来以后,它会变得越来越弱。恒星之间的距离太远了,以至于任何信号到达地球以后都将非常的弱(除非信号是定向发送给我们的)。收集足够多这样的信号,我们需要一个巨人的耳朵。对我们而言,那意味着我们需要使用一个巨型射电望远镜。

世界上最大的射电望远镜,并用于伯克利(Berkeley)进行SETI搜索的是阿雷西博射电望远镜(AreciboRadioTelescope)。它位于波多黎各的西南部的阿雷西博附近。望远镜是被建造在喀斯特地形(Karstterrain)凹地里的直径为305米(1000英尺)的一个碟形天线。你可以想象一下它有多大,大约需要100亿只普通的碗所盛的谷子才能将它填平。还是很难想象吗?这个碟形天线的表面超过20英亩,具有18英亩或者说18个足球场那么大的光圈。碟形天线可以反射并将天空中微弱的信号集中在悬在正上方450英尺的接受天线上。由于碟形天线是固定的无法转动,所以接受天线被装在一条弓形的轨道上,这样它们可以“观察”在他们顶点(正上方)20度范围内的目标。这条弓形臂被安装在另一个环形的轨道上,可以让接收天线跟随由于地球本身的自转而掠过天线上空的目标。这两种方式的移动可以使射电望远镜有能力扫描更多的一部分天空。

射电望远镜有两个主要的天线系统:SETI@Home的馈线和巨大的半球形的“格利高里焦距(Gregorianfocus)”。“格利高里”是阿雷西博天文台新增的设备。在园顶里面有两个无线电反射器,它们能够更准确的将无线信号集中在监测器上。虽然圆顶在照片上看着很小,而实际上他的直径有85英尺。

调谐你的“耳朵”
这是阿雷西博的控制室的照片
这是阿雷西博的控制室的照片

在1420M赫兹附近的频率是非常值得观察的,因为这个频率很接近“水洞”。同时也因为这个频率在射电天文上是很重要的频带,根据国际上的协议,任何人不可以在1420MHz到1427MHz的频带上制造任何无线信号的播放。正是由于这个禁令,这个频段是特别平静的频段。让我们进一步看一看这意味着什么。

我们要搜索什么呢?正如前面提到的,对外星生命来说,最有效的能够引起别人注意的方式是将所有无线信号的能量集中在一个非常窄的频段内。如果你的无线接收机是“博大的”,只能观察宽带信号,那么窄带信号将会淹没在它周围的无用的信号里,即使窄带信号非常强。

“格利高里焦距(GregorianFocus)”就在那个圆顶里面。圆顶左侧那个像矛一样的东西就是馈线。
“格利高里焦距(GregorianFocus)”就在那个圆顶里面。圆顶左侧那个像矛一样的东西就是馈线。

想象一下,一个大声吹口哨的人站在以大群拥挤而有嘈杂的人群中。口哨声有一个特定的频率或音调。如果你用你的耳朵来听,人群发出的噪音会掩盖了口哨声,因为耳朵识别的是比较宽范围内的音调。那么另一方面,如果你的耳朵可以调谐到只能听到口哨的音调又会怎么样呢?你不会听到很多人群的噪音,因为大部分人群的噪音不会出现在你所“调谐”的音调上。但是口哨的声音比较大而且很清楚。用同样的方式,SETI@Home要搜索许多经过精确调谐的频道(频率)上的信号,这些信号都是明显的“比噪声强”。有了你的帮助,SETI@Home可以做更详细的,经过更细微调谐的搜索。你的计算机将会“听到”只有0.07Hz带宽的太空信号。

从作者的小屋看过去,你会看到望远镜被雨林环绕着。
从作者的小屋看过去,你会看到望远镜被雨林环绕着。

如果搜索成功了会怎么样?如果地外生命的信号被发现了会怎么样?SETI的团体通过了一个“关于搜索地外智慧生命活动的原则的声明”,作为相互之间的通知和对世界公开一个新的发现的依据。首先,发现者必须用各种可能的尝试来核实所发现的信号确实是地外文明的信号。然后,发现者可以通知在这个领域里面的其他人,以获得对这个发现的独立的验证。如果通过了这样的试验,发现者可以将这个信息提供给更多的科学团体,联合国秘书长和公众。所有收集到的数据都将对科学团体公开以进行进一步的分析。正如你见到的,由于在一些极端的科学团体里存在着“阴谋理论”,所以不可以有任何隐藏数据的企图,必须将它们向公众公开。

如果有一点儿运气的话,我们也许能够在有生之年知道,在银河系里面我们是否是孤独的。我希望我们能够发现很多的朋友。

SETI@home是如何工作的?
堆积如山的数据

目前存在的绝大多数SETI程序,包括在加洲伯克利大学(UCBerkeley)大楼里大型计算机上运行的程序,都在实时的对从天文望远镜收集来的数据进行分析。这些计算机都没有对这些微弱的信号进行深入的分析,也没有试图搜索更多种类的信号(关于信号的类型,将在后面讨论)。之所以没有这样做的原因是用来进行分析的计算机的处理能力是有限的。要想从大量的极其微弱的信号中发现什么的话,必须需要极其大量的计算机的处理能力,因此需要一台完全难以实现的超级计算机来完成这个工作。SETI计划根本不可能也没有能力建造或者购买这样的计算机,因此他们采取了另一种平衡的方法。那就是用比较小的计算机而花更多的时间来完成这个工作,而不是用超级计算机和比较短的时间内完成这个工作。但是新的问题是,这样就会有许许多多的堆积如山的数据等待处理。那么,他们是否可以利用大量的这种小型计算机同时处理不同的数据呢?SETI计划能在那里找到成千上万的计算机,并且能过不断的处理从阿雷西博射电望远镜收集的数据呢?

伯克利(UCBerkeley)的SETI计划的成员注意到已经有成千上万的计算机是可以利用的。这些计算机中有很多通常都是什么也不做,只是在运行屏幕保护,白白的浪费电。因此,SETI@home也就产生了。SETI@home希望你能够允许我们在你不使用计算机的时候借用它来帮助我们“……寻找新的生命形式,寻找新的文明”。我们将利用运行在你的计算机上的屏幕保护程序来完成这个工作,它能够通过互联网从我们的服务器上获得一个数据包,分析它并将结果返回给我们。当你需要用你的计算机工作的时候,屏幕保护程序会立即退出,只有在你完成工作而不使用计算机的时候才开始继续进行分析的工作。

这是一项既有趣而又十分困难的任务。因为这里有太多的的数据要分析,几乎是不可能完成。好在这些要被分析的数据可以很容易的被分解成很多小的数据包,这些小的数据包可以同时被处理,因为它们之间是相互独立的。而且,目前只有很有限的天空能够被阿雷西博射电望远镜扫描到。在未来的两年里,能过被望远镜扫描的天空将被扫描三次。我们认为对于这个计划已经是足够了。到那个时候,我们将完成对天空的三次扫描后,我们将会有新的望远镜,新的试验和SETI计划的新的进展。我们希望,那个时候你还能够参加到我们的计划中来。

数据包的分解

在位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜上,所有收集到的数据会被记录在高密度的磁带上,每天都会有一个35G的DLT磁带存储着这些数据。由于阿雷西博射电望远镜和互联网没有足够的带宽,因此这些磁带不得不通过传统的邮递系统送到伯克利来。这些数据会被分解成大约0.25M大小的数据块(我们称之为“工作单元(workunit)”)。这些工作单元会从SETI@home的服务器,经过互联网发送到世界各地的人们那里进行分析。

数据是怎样被分解的?

SETI@home会收集2.5M带宽内的数据,其中心频点在1420MHz。对于法送给你进行分析而言,这依然是一个比较宽的带宽,所以我们将这个带宽分成了256份,即每份的带宽是10kHz(其实应该是9766Hz,但是我们为了计算方便而简化了这个数字)。数据分解的工作使用一种叫“splitter”的软件完成的,这样10kHz的带宽就比较好使用了。要记录10kHz带宽的信号,我们需要记录数据量约为每秒20000比特(20kbps)。(这叫做尼奎斯特(Nyquist)频率)我们会发给你大约107秒这样的10kHz(20kbps)带宽的数据。100秒乘以20000比特等于2000000比特,也就是说大约0.25M字节的数据,其中每字节是8比特。我们称这0.25M的数据包为“工作单元(workunit)”。我们还要发送一些关于工作单元的附加的信息,所以工作单元的大约是340k字节。

发送出的数据

SETI@home只有在传送数据的时候才会通过互联网与你相连,也就是说只有在屏幕保护程序完成对工作单元的分析后,需要发送结果或者获取新的工作单元的时候。我们只有在得到你的许可和控制下才会让你的计算机与我们的服务器建立连接,你也可以通过一些选项来设置屏幕保护程序在完成当前的工作单元后自动发送结果并获取新的工作单元。一般情况下,使用普通的调制解调器时,数据的传输不会超过5分钟,而且一旦数据的传输完毕,我们就会断开与你的连接。

我们会利用在伯克利的数据库来对每一个工作单元进行跟踪。当工作单元被返回后,工作单元将被送回数据库并且做上“已完成”的标记。服务器会将一个新的工作单元发送给你进行分析同时在数据库中为这个工作单元做上“进行中”的标记。为了保证数据被处理的正确性,我们会重复送出同一个工作单元,因为即使是正常工作的计算机也会偶尔出错。如果你无法完成当前的工作单元,或者因为某种原因造成计算机死机而丢失分析结果的话,不用担心,数据是不会丢失的。

SETI@home在寻找什么?

那么,你所做的一切对我们有哪些帮助呢?你要在工作单元里面寻找什么呢?简单的说,我们想知道地球以外的生命是否发送了信息给我们。我们想知道,“他们”是否用他们认为最有效的方式发送信息给我们,并能够让我们很容易的发现这些信息。目前已知的是,在多个频率上发送信息不是最有效的,因为这样需要很多能量。如果能够把发送信息的能量集中在比较窄的频率范围内(即窄带),那么这些信号会比较容易从背景噪声中分离出来。这一点非常重要,因为我们认为“他们”离我们非常遥远,因此“他们”的信号在到达我们这里的时候已经非常微弱了。所以,我们不会搜索宽带信号(即在很多频率上的信号),我们只在一些特定的频率上搜索。SETI@home的屏幕保护程序就像收音机的调频器一样可以调节不同的频道,然后观察在该频道上的信号强度。如果信号强度有变化,就会引起我们的注意。一个可以帮助我们区分本地的信号(即来自地球或其卫星的信号)的原因是,这些信号或多或少都是连续的,而且它们基本上是恒定强度的信号。另一方面,阿雷西博(Arecibo)射电望远镜是固定在地面上的,因此随着地球的自转,它并不是在跟做某一特定的星体。正是由于这样,天空对于射电望远镜来说是“漂移”的。通常,任何目标在“漂移”过射电望远镜的碟形天线的焦点中线(或者说目标束)时大约要12秒的时间,所以我们希望能有一个“他们”的信号能够在这12秒的时间里发生由强变弱的变化,以便能让我们发现它。因为我们想要搜索这12秒钟的“高斯(gaussian)”信号,所以我们发送给你大约100秒的数据。我们也需要在不同工作单元内的数据有一定的交迭,我们不想因为数据包的分解而丢失一些重要的数据。

请点击参看关于RFI(无线频率干扰RadioFrequencyInterference)的更多信息。

让我们来看一些实例。

这张图片所显示的X轴是表示时间的流向,Y轴表示的是频率,或者说是不同频率信号的强度。这里所看到的是宽频信号,也就是说很多不同频率的信号混在一起。要注意的是,图中信号有微弱(暗的)开始,然后逐渐增强(明亮),在横轴中间大约6秒的位置达到最大值。这也正是我们希望看到的地外生命的信号在“漂移”过射电望远镜时的情形。但是我们并不在宽频信号内搜索,这可能是星体或者其他天体所产生的信号。因此,宽频信号是不合适的。

这张图片正是我们想要看到的。在这里我们可以看到是在一个比较窄的频带内的信号,信号在这个12秒的频带内也是有强有弱的。我们尚不知道多窄的频带才是合适的,所以我们会搜索多个这样的频带。

如果“他们”试图在“他们”的信号中加入一些有意义的信息,那么信号几乎可以肯定是脉冲信号,就像这张图片显示的这样。

由于行星的自转,“他们”的信号发生器和我们的射电望远镜都是在沿着各自行星的中心轴做圆形运动。这种运动的结果是在观察的过程中我们会发现有些频率变化了,也正是因为这种相对运动,我们可以称这种现象为“多普勒漂移(dopplershifting)”或者信号的频率漂移。这有可能会造成在这12秒钟某些频率信号的增加或消失,这就是所谓的“啁啾信号(ChirpedSignal)”。我们也会检测这种信号。

当然我们也会搜索含有脉冲信号的多普勒漂移(啁啾)信号。

关于数据分析的更多信息

SETI@home的软件可以搜索比SERENDIPIV所能搜索的信号弱10倍的信号,因为它采用了一种增强运算算法,称为“相干积分(coherentintegration)”。目前还没有任何一台计算机(包括SERENDIP程序)有足够的处理能力来独立实现这种方法。你的计算机对数据进行快速傅立叶变换处理,在各种频率,带宽和啁啾速率中搜索较强的信号。你从我们这里获得的每一个工作单元都会进行如下的步骤。

我们先来看一看最需要运算处理能力的部分。首先要做的工作是消除数据中的啁啾频率,也就是说要消除多普勒效应的影响。最好的方法是,在-10Hz/秒到+10Hz/秒的频率内,步长为0.002Hz/秒,进行约20000次的操作。在每一个啁啾频率上,对107秒的数据消除啁啾之后,再将数据分成8块,每块13.375秒的数据块。每个13.375秒的数据块用0.07Hz的滤波器搜索,试图发现一些有意义的峰值信号(这意味着对每个啁啾频率上的每个数据块要进行约131072次测试)。这样的话,有非常非常多的数据要处理。在这第一步的处理中,你的计算机要进行约2000亿次的运算。而我们要做一些10Hz/秒到50Hz/秒之间的数据处理。

工作还没有完呢!因为我们还要搜索其他的频带。下一步,我们将滤波器的带宽加倍到0.15Hz,同时因为滤波器的带宽加宽了,我们只需要检测四分之一的速率就可以了。在我们完成上面的处理之后,我们只完成了四分之一的工作,或者说完成500亿次的运算。是不是太简单了?

在下一步,我们再将滤波器的带宽加倍(从0.15到0.3Hz),同时将啁啾频率再减少四分之一。这一步(包括这以后的后续步骤)的处理工作只是前一步的1/4。那么这里有125亿次运算发生。就这样,对于那107秒的数据的连续14次的带宽加倍(0.07,0.15,0.3,0.6,1.2,2.5,5,10,20,40,75,150,300,600和1200Hz)会产生总共2750亿次的运算。所以说,我们主要对窄带的数据进行分析(大约70%的工作量)。最后,那些在某些频率,带宽和啁啾组合下的比较强的信号实际上是从地球上产生的信号。只有在12秒内产生并消失的信号(12秒钟正好是射电望远镜经过天空中某一点的时间)才有可能被认为是地外生命的信号。同时,这样的超过某一门限的峰值信号会被记录下来。

搜索脉冲信号

上述的工作是用来搜索那些持续的地外生命的信号的,那些信号是连续的,或者可以理解称为强脉冲。那么如果我们的外星朋友发送的是一系列的有间隔的有规律的脉冲信号呢?那么我们必须也要搜索那些有规律变化的信号。SETI@home使用了两种方法来搜索脉冲信号。一种是用于搜索较强脉冲的三相脉冲法,另一种是可以用来搜索较平均但是较弱的脉冲信号。三相脉冲法其实很简单。在整个频谱上每个频段上,计算机将搜索那些超过特定门限的脉冲。这个特定的门限要设定在一个合理的范围内才可以得到一定量的可能有意义的脉冲信号,否则的话,会搜索到大量噪声脉冲,使我们进行很多无意义的运算。对于超越门限的每一对脉冲信号,SETI@Home程序会搜索在这对脉冲信号中间的脉冲信号。如果找到了,屏幕保护程序会自动纪录结果并将结果送回伯克利。屏幕保护程序会自动进行这样工作,所以它不会重复的处理所有的脉冲信号。但是要记住,它必须对每一个10kHz的取样的频率段进行这样的操作。

第二种脉冲检测方法稍微有点复杂,这是SETI@home计划为这个目的特别开发的,称为“快速折叠算法(fastfoldingalgorithm)”。同样,我们对每个10kHz的频率段进行处理。这种算法可以检测数据包内大量的重复脉冲,这些脉冲可能很微弱,很容易被淹没在背景噪声中。我们首先从数据包种选择一段频率进行分析,然后搜索脉冲的强度和周期之间的关系。屏幕保护程序会将数据包分割成相同大小的块,然后将这些块相加。这样,如果块的大小正好与脉冲的周期(或多个周期)相同的话,那么脉冲信号就会因为叠加而增强,就会从背景噪声中显现出来。最困难的是,我们必须能够将数据包分割成正确的大小。由于我们根本不知道脉冲的频率是多少,所以我们不得不尝试不同的周期频率。同样,这种算法不会重复尝试那些已经完成的工作,如果发现了重复的周期脉冲信号,程序会纪录它并将它发送会伯克利。你们的计算机需要多长时间才能完成这些工作呢?平均的说,家庭计算机需要大约10到50个小时才能完成一个工作单元,而且假设你的计算机没有做其他的工作。

根据射电望远镜在纪录工作单元时的移动方式不同,你的计算机将要完成大约2.4万亿到3.8万亿次数学运算(专业术语应该是浮点运算),才能完成一个工作单元。

现在,你应该知道我们为什么需要你的帮助了。

如果我的计算机发现了外星人

在我们讨论“会发生什么”之前,我们应该让你知道更多的关于“如果”的问题。其实,对于你所分析的数据和结果,许多是无线电信号,而且很多都是从地球上产生的,认识到这一点时非常重要的。电视机,雷达等都是微波发送器,卫星等天体也都是这样的无线电信号发生器。同时有一些“测试信号”会被有意的加入到系统里面,SETI@Home计划可以利用这样的信号来证明系统的软件和硬件都工作正常。阿雷西博(Arecibo)射电望远镜会收集所有的信号,然后分发给你的屏幕保护程序进行处理。射电望远镜并不在意所收集到的信号的类型,就如同你的耳朵并不会选择听到什么样的声音一样。你的屏幕保护程序会仔细检查所受到的数据包,搜索那些比背景噪声“大”的信号和那些在12秒内产生并消失的信号(还记得吗?12秒钟正好是射电望远镜扫过天空中某一点的时间)。

所有有价值的信号都会被送回伯克利,SETI@home计划会作进一步的分析。SETI@home维护着一个庞大的关于已知的无线射频接口(RFI)的数据库,而且这个数据库在不断的更新。所以你的屏幕保护程序所检测的99.9999%的信号都会被认为已知的无限射频接口而被放弃掉,测试信号也会被消除掉。

那些剩下的未知的信号会根据天空中同一位置的观测数据进行进一步的分析。由于SETI@home计划不能控制射电望远镜,所以这个工作可能需要6个月的时间(也就是望远镜转到同一位置所需要的时间)。如果,信号被认为有意义,SETI@home计划将会申请使用射电望远镜对这些数据所对应的天空进行专门的观察。

如果某个信号被重复观察了两次以上,而且确认不是已知的射频信号或者测试信号,SEIT@home计划会请另一个组织的人检查这个信号。他们将会使用不同的望远镜,接收机,计算机等设备,希望这样能够消除由我们的设备和计算机程序所产生的错误。和其他组织一起,SETI@home可以完成干涉测量法(干涉测量法需要由在两个具有相当距离的观测点共同完成),这样就可以证明该信号是从其他星体发送来的。

如果得到的进一步的确认,SETI@home将会用国际天文联合会IAU(InternationalastronomicalUnion)提供的电报格式发表一个声明。这是将重要的天文发现通知其他天文学团体的标准做法。这样的电报包含了所有便于其他天文学团体研究和确认这个信号的所有信息,如频率,带宽,位置等。使用屏幕保护程序发现这个信号的人将会和SETI@home计划的成员一样成为这个信号的共同发现人。但在这时,我们仍然无法确认这个信号是从其他智慧生命发送来的还是一个新的天文现象。

关于新的发现的所有信息都会公之于众,也许是通过网络或者其他方式。任何一个国家或个人都不允许占用所观察信号的频带。由于目标信号各能出现在任何位置,所以全球范围内的无线电观测是十分必要的,因此国家之间的共同努力是十分必要的。因此,所有的信息都应该是公开的。

点击下面的连接可以看到官方的“关于搜索地外智慧的活动的原则的声明”。

基于这些原则,对SETI@home的参加者来说,不应该在发现了地外智慧的信号以后十分兴奋的打电话给媒体,并发表自己的声明。这样作对整个计划是有害的。重要的是,我们应该保持自己的头脑冷静,而让我们的计算机运转。我们都希望,我们能过成为接收到那些地外文明“打电话回家”的信号的人。

相关链接

SETI@home
天图的主要特征
无线频率干扰

http://equn.com/index.php/SETI

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更新时间 : 2009-01-18

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