相比之下,我们收听的调频(FM)无线电频段的频率约为 “水洞” 区域的十分之一,波长则是其 10 倍 —— 波长大约与人类的身高相当;调幅(AM)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。中性氢(由一个质子和一个绕其运行的电子组成)的电子能处于多个高于基态的能级,其中两个较低能级之间的能量差仅为 5.9 微电子伏特,对应的光子波长为 21 厘米(频率 1.42 吉赫)。
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区域(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区域 —— 包括温度在 50 至 100 开尔文(与冥王星相当)的冷中性介质(CNM),以及温度在 6000 至 10000 开尔文(与太阳表面相当)的暖中性介质(WNM)),都能检测到这种背景噪声。
温度约 8000 开尔文的热电离介质(WIM)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