物理学家恩里科·费米曾著名地提出问题：“他们在哪里？” 以表达他对银河系中没有任何其他智慧文明存在迹象的惊讶。尽管多年来人们提出了许多可能的解决方案来解释所谓的“费米悖论”，但对于哪一种（如果有的话）是正确的，仍然没有共识。然而，我们是否在银河系（或整个宇宙）中是孤独的这个问题，仍然是科学界，特别是天文学界最引人入胜的问题之一。
鉴于任何外星生命（如果存在）的出现、进化和生存能力都存在巨大的不确定性，我们将尝试简要识别外星生命（简单和智慧生命）最普遍、可远程探测的特征，并检验各种搜索策略的预期效果。这个话题变得尤为及时，因为观测（主要是通过开普勒太空望远镜）表明，银河系中至少有十亿颗地球大小的行星，围绕着类太阳（或更小的）恒星在“适居带”区域运行，该区域允许液态水存在于行星表面（所谓的宜居带）。此外，对外星智慧生命的搜索最近得到了显著提升，这要归功于“突破聆听计划”——一个耗资1亿美元、为期十年的项目，旨在搜索来自100兆赫兹到50吉赫兹电磁带宽中的非自然信号。
简单生命几乎在地球冷却到足以支持水基生物体的程度时就出现在地球上。然而，要从远处被探测到，生命必须进化到主导行星表面化学并显著改变大气层的程度，从而产生原则上可以远程探测到的化学“生物特征”。例如，地球本身在其存在的最初二十亿年里可能不会被探测为一颗有生命的行星。关于智慧生命的进化，主要的开放性问题包括：
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—复杂生命进化的地球化学约束是什么？
—这些约束决定了哪些时间尺度？
—是否存在进化“过滤器” 或瓶颈，使得向智慧过渡极其困难？例如，在地球上，大约花了三十亿年才出现最基本的多细胞生命形式。花了四十五亿年（以及一系列偶然事件，如板块构造和小行星撞击）才达到即使是最基本的星际通信能力（即，通过无线电接收和传输）。这些考虑表明，首先确定银河系中是否存在比太阳系更古老的行星系统非常重要。
太阳系目前的年龄大约是我们星系盘年龄的一半，也是太阳预计寿命的一半。因此，我们预计我们银河系盘中大约一半的恒星比太阳更古老。最近一项研究行星形成历史的结论是，太阳系的形成时间接近巨行星形成的平均时期，并且大约 80% 的现有类地行星可能在地球形成时就已经形成了 (pdf)。这为我们探测外星智慧生命提供了巨大的优势。
哪种可探测的生物特征可以被认为是简单生命存在的最可靠证据（在宜居带中一颗足够古老的岩石行星上）？即使没有单一的生物特征是绝对令人信服的，但富含氧气（例如 20% 或更多）的大气层最初可能是一个最有希望的目标。虽然非生物过程（例如强烈的紫外线辐射分解二氧化碳）可以在行星大气层中产生氧气，但只有在罕见的情况下，这些过程才会产生如此高浓度的富集。然而，只有与其他潜在的生物特征（例如甲烷）结合使用，氧气的生命起源的可信度才会得到 显著加强。
因此，在不久的将来，寻找简单外星生命迹象的一个极好的第一步将是：搜索氧气，但尝试用其他生物特征来支持它。这（原则上）可以通过大型地面阵列的相对低成本的通量收集望远镜（例如下一代欧洲极大望远镜；收集面积相当于几个足球场的大小）来实现，如果这些望远镜配备了 超高色散光谱仪。来自系外行星光谱的氧气线将相对于地球大气层中的氧气略有多普勒频移，使其相对容易（虽然绝对不容易）检测到它们。红外线中更难探测到的甲烷将不得不随后进行。
欧洲南方天文台计划中的欧洲极大望远镜 (E-ELT) 的新建筑概念图显示了望远镜的工作状态，其圆顶打开，创纪录的 42 米主镜指向天空。
图片来源：ESO/Wikimedia Commons, CC BY 4.0
空间任务的要求是什么？我们希望至少能够对系外生命稀有的程度施加有意义的约束，如果这样的任务恰好没有探测到任何生物特征。模拟显示，在未探测到的情况下，为了能够做出诸如“在围绕类太阳恒星运行的类地行星中，可远程探测的生命发生率低于约 10%”这样的陈述，将需要能够成像和表征至少三十几个或更多系外地球的大气层。反过来，这样的产量将需要一个孔径 超过约 8.5 米的太空望远镜。拟议的宜居系外行星成像任务 (HabEx) 正在为下一个十年调查进行讨论，必须按照其当前构思的孔径上限进行设计，才能满足这一特定要求。更雄心勃勃的 9 至 12 米大型紫外/光学/红外 (LUVOIR) 型太空望远镜，例如拟议的 高清晰度太空望远镜，将是 2030 年代的自然任务候选者。
人们理想情况下希望超越生物特征，寻找外星技术文明最清晰的迹象。这可能是明确探测到智能的非自然信号，最显著的是通过无线电传输，这是 SETI（搜寻地外智慧生物）计划的目标。然而，无线电通信很可能被先进生命形式视为过时的技术。在大多数文明中，它的使用寿命可能很短暂，因此在宇宙的大量空间中很少见。那么，什么是通用的特征呢？能源消耗是先进文明的标志，它似乎几乎不可能隐藏。
先进技术可用的两种最合理的长期能源来源是：通过构建称为“戴森球”的结构来控制恒星亮度，可能包括收集来自多颗恒星（而不仅仅是一颗）甚至整个星系的光；另一种是通过受控的氢聚变成更重的原子核。在这两种情况下，废热都将是不可避免的结果，产生可探测的中红外 (MIR) 特征。其他已被提出的先进文明的潜在特征，例如各种形式的大气工业污染或短寿命放射性产物，必然是短暂的。（基本上，这些外星人要么净化他们的行为，要么 自我毁灭）。另一方面，红外辐射似乎几乎是不可避免的。广域红外巡天探测器 (WISE) 卫星最近进行的一项大型调查确实识别出五个红色螺旋星系，它们的高 MIR 和低近紫外线亮度的组合 与高恒星形成率的简单预期不符。然而，尚未排除对这些观测的传统解释，例如存在大量内部尘埃。在探索它们是否可能代表星系主导物种的特征之前，这些奇特的物体值得后续观测。
一个能量捕获戴森环绕恒星的示意图，由先进文明建造。戴森球体将包围整个恒星。
图片来源：Wikimedia Commons/Vedexent, CC BY 2.5
更悲观地看，基于生物学的智慧可能只是复杂性进化中一个非常短暂的阶段，之后是 未来学家所称的“奇点”——人工智能、无机智能的统治地位。如果情况确实如此，大多数先进物种可能不会在行星表面被发现（重力有助于生物生命的出现，但在其他方面是一种负担）。但由于能源方面的考虑，它们可能仍然必须靠近燃料供应，即恒星。即使这样的智能机器要传输信号，对于我们相对原始的有机大脑来说，它也可能是无法识别和解码的。
这或许可以解释费米悖论。如果这种情况属实，我们通过生物特征探测简单生命的机会可能远大于发现智能外星人的机会。尽管如此，探测先进智慧（无论是生物的还是非生物的）的信号的最终目标仍然是最引人入胜的选择。全力支持 2020 年代提出的项目，例如日本的宇宙学和天体物理学空间红外望远镜 (SPICA) 和 NASA 的远红外巡天探测器。
关键点在于，在人类历史上，我们首次距离实际回答“我们是孤独的吗？”这个问题只有二三十年的时间了。因为答案可能关系到我们作为宇宙中特殊存在的最后主张，所以它的重要性怎么强调都不为过。无论如何，回应朱塞佩·科科尼和菲利普·莫里森在他们 1960 年发表在《自然》杂志上的关于搜寻外星人的开创性文章 (pdf) 末尾所说的话，我们永远不会知道，除非我们去搜索！（大众科学 是自然出版集团的一部分。）
本文基于巴黎天体物理研究所进行的研究。