如果你感兴趣的话,wi-fi 和微波炉常用的 245 吉赫频率映射的波长是 122 厘米(即 5 英寸),而微波炉的内部尺寸通常是该波长的整数倍,这样能形成驻波模式,让食物受热更均匀。
相比之下,我们收听的调频(f)无线电频段的频率约为 “水洞” 局域的十分之一,波长则是其 10 倍 —— 波长大约与人类的身高相当;调幅(a)无线电的频率约为 “水洞” 的千分之一,波长则是其 1000 倍 —— 相当于一个足球场的大小。
光学频率则走向了另一个极端:频率是 “水洞” 的数千倍,波长则缩小到分子尺度。而波长比原子还小的频段,试图用由原子构成的半导体来产生这类信号,显然是不现实的。
这些信号在真空中的传输特性并无差异,但太空并非完全真空。太空中最常见的物质是氢。。
这种能级跃迁很容易发生,因此在该能量、频率和波长下存在背景噪声。凡是有大量中性氢聚集的局域(银河系中几乎随处可见,尤其是星际介质中以中性原子氢为主的局域 —— 包括温度在 50 至 100 开尔文(与冥王星相当)的冷中性介质(),以及温度在 6000 至 10000 开尔文(与太阳表面相当)的暖中性介质(wn)),都能检测到这种背景噪声。
温度约 8000 开尔文的热电离介质(wi)占比甚至超过冷中性介质和暖中性介质的总和,但其发射的并非射电波,而是可见光波段的深红色氢 α 谱线 —— 因此这一频段也不适合用于信号传输。不过也有人认为,在几十到几百光年的短距离内,该频段能避开部分干扰,让信号更易识别。
你可能经常听到关于 21 厘米谱线的讨论,因为我们通常会优先考虑射电波,但用于定向波束和通信激光的光波段,显然也需要考虑被星际介质吸收或作为背景噪声发射的问题。恒星本身会产生多种谱线,我们正是通过这些谱线计算恒星的光谱和红移;而观测恒星诞生的分子云时,也需考虑太空中各种分子的吸收谱线。
在我看来,这些因素并非指明了我们该监听哪些频率,而只是指出了我们(以及外星文明)应该避开的频率。但 “水洞” 和 21 厘米谱线在相关讨论中频繁出现,因此在进入信标主题之前,我觉得有必要先对此进行说明。
接下来谈谈无线电信号的最大可探测距离。我们此前也曾讨论过这一话题,有一种观点认为,人类自身的无线电信号最多只能传播到约 100 光年外,因此我们无法接收到更远距离的外星信号。
这一观点有时会与信号在传播过程中因衰减、扩散,以及穿过嘈杂且不均匀的太空而产生的失真相混肴。我们通常认为日常信号会被压缩(即去除重复模式,并标注 “已去除重复模式”),这使得高带宽、高压缩的信号即便通过我们之前提到的巨型望远镜,也几乎无法被接收。
但对于信标而言,这一点并不重要 —— 因为信标的首要目标是在遥远的距离上被理解,且通常无需进行高带宽、高压缩的详细通信。信标不会压缩数据,因为特意保留那些重复模式,才能让信号从噪声中凸显出来,更易被译码。
毕竟,你完全可以在未压缩的基础信号之后附加一个压缩的次级信号,并在基础信号中说明压缩方式。例如,未压缩信号中可能包含提示:“请切换至另一频率,接收采用如下压缩方式的高数据量压缩信号”。不过这并非适用于所有银河或星系际信标 —— 比如银河定位系统类信标,可能会假定用户已了解其传输规则和密钥。
有人提出可以将中子星作为天然的定位系统,我们稍后会回到这一话题,但这也恰好能说明 “无线电信号传播距离有限” 的观点并不成立。我们能探测到数百万光年外的中子星,也能通过射电望远镜