Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Знание — сила»
«Квант»
«Квантик»
«Кот Шрёдингера»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица

21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей

20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн

17.06
В металло-карбеноидах чем больше катион щелочного металла, тем стабильнее молекула

16.06
В Старом и Новом Свете птицы сходно реагируют на глобальное потепление






Главная / Библиотека / В популярных журналах / «Наука и жизнь» версия для печати

Межзвездные радиопослания

Александр Зайцев,
доктор физ.-мат. наук, Институт радиотехники и электроники РАН
«Наука и жизнь» №4, 2006

Передача межзвездных радиопосланий – принципиально новый вид человеческой деятельности, связанный с излучением сигналов с Земли в космос, в адрес предполагаемых братьев по разуму. Люди всегда всматривались в небо в надежде найти там что-нибудь. А вот специальные и целенаправленные передачи – такого рода деятельность пока лишь только-только нарождается…

Проекты по поиску внеземного разума, обычно обозначаемые аббревиатурой SETI (от английского словосочетания «Search for extraterrestrial intelligence»), имеют дело с колоссальной неопределенностью, поскольку о предмете поиска практически ничего не известно. Американский астроном Джил Тартер использовала для этой ситуации удачный образ: «космический стог сена». Приступая к поиску, надо принять решение, где искать, когда искать и на какой длине волны. Дополнительные параметры поиска касаются поляризации сигнала, мощности принимаемого излучения и способа его демодулирования. А если сигнал будет зарегистрирован, придется ответить на вопрос, как декодировать принятое сообщение.

Похожий перечень вопросов возникает и при решении другой задачи: передача радиопосланий с Земли в адрес предполагаемых очагов внеземного разума (METI, сокращение от английского «Messaging to extraterrestrial intelligence»). Надо определить, куда отправлять сигнал, когда, на какой длине волны, какую поляризацию использовать, какова должна быть мощность передаваемого радиоизлучения и какую применять модуляцию. В более широком смысле преобразование SETI > METI заключается в переходе от науки поиска радиосигналов, которые могли быть направлены нам, к искусству создания радиопосланий, предназначенных для других цивилизаций. И здесь особое значение имеет вопрос об оптимальной структуре и кодировании передаваемых сообщений. Кроме того, мы вынуждены отвечать на вопросы, зачем это нужно, что мы будем «с этого иметь» и не опасно ли проводить METI. Попробуем дать краткие ответы.

Куда отправлять межзвездные радиопослания?

Ответить на этот вопрос стало гораздо проще после того, как в 1995 году было сделано выдающееся открытие: швейцарский астроном Мишель Майор и его аспирант Дидье Квелоц обнаружили первую экзопланету у обычной (не нейтронной) звезды 51 в созвездии Пегаса. Стало ясно, что планеты — такие же обыденные и распространенные небесные объекты, как звезды и галактики. В нашей Галактике порядка 100 миллиардов звезд, 1% из них — звезды солнечного типа. Вот среди этого замечательного миллиарда и предлагается в первую очередь отбирать звезды—адресаты наших межзвездных радиопосланий. Теперешний перечень требований к звездам-кандидатам имеет следующий вид:

  • принадлежность к Главной последовательности;
  • постоянная светимость;
  • возраст в интервале от 4 до 7 млрд. лет;
  • предпочтительны одиночные звезды близких с Солнцем спектральных классов;
  • положение на небе вблизи предпочтительных направлений — недалеко от плоскости эклиптики, направлений на замечательные астрономические объекты, на центр или антицентр Галактики.

Желательно также, чтобы и мы наблюдались оттуда на фоне замечательных астрономических объектов, с тем чтобы другие цивилизации могли обнаружить нас, например, в процессе обычных астрономических наблюдений.

В случае наличия у звезды-кандидата собственной планеты или планетной системы желательно, чтобы орбиты этих экзопланет имели малый эксцентриситет, поскольку такие планетные системы более долговечны и там нет значительного перепада температур, препятствующего зарождению жизни.

Желательно выбирать звезды внутри «пояса жизни» — той «тепличной» области нашей Галактики, где из-за совпадения скоростей движения звезд и спиральных рукавов условия для зарождения и длительного развития жизни наиболее благоприятны.

Со временем, по мере накопления наших знаний о космосе, возможно появление и других критериев, и даже других, нежели звезды, адресатов. И это вполне естественно, но сейчас критерии именно такие или очень близки к тем, что здесь перечислены.

Когда отправлять радиопослание к выбранной звезде?

Александр Зайцев, научный руководитель проектов «Космический зов» и «Детское радиопослание» и менеджер проектов «Космический зов» Ричард Браастад в зеркале 70-метровой антенны радиотелескопа в Евпатории
Александр Зайцев, научный руководитель проектов «Космический зов» и «Детское радиопослание» и менеджер проектов «Космический зов» Ричард Браастад в зеркале 70-метровой антенны радиотелескопа в Евпатории

Вопросы временной синхронизации наших радиопередач и чьих-то поисков (или, что не менее актуально, чьих-то радиопередач и наших поисков) очень важны. По оценкам известного популяризатора науки Петра Васильевича Маковецкого, которые приводятся в четвертом издании его замечательной книги «Смотри в корень», вышедшей в издательстве «Наука» в 1979 году, грамотная синхронизация позволяет в несколько десятков раз увеличить вероятность установления радиоконтакта. Один из таких методов — привязка моментов передачи и поиска к знаменитым вселенским событиям, которые наблюдаемы всюду в нашей Галактике, например, к моменту максимума блеска при взрыве какой-нибудь новой или сверхновой звезды. Сейчас на современных крупных телескопах удается регистрировать моменты вспышек сверхновых в соседних галактиках, что может быть использовано для синхронизации процессов излучения и поиска по времени.

На какой длине волны отправлять сообщение?

Диапазон частот, в котором необходимо излучать радиосигнал, совпадает с тем диапазоном, который ранее был обоснован для SETI, — от 20 до 1 см. Именно здесь достигается наибольшая дальность радиосвязи. Энергетический потенциал космической радиолинии определяется как произведение мощности передатчика и коэффициентов усиления передающей и приемной антенн, деленное на шумовую температуру приемной системы. При современном уровне развития земной технологии это соотношение как раз максимально в сантиметровом диапазоне. Не исключено, что со временем, по мере развития космической связи, наилучший энергетический потенциал будет достигнут у систем инфракрасного или оптического диапазона, и тогда наши представления об оптимальной длине волны изменятся. Точное значение длины волны может иметь одно из «магических»» значений, например 6,72 см = 21 см/π, определенное как отношение двух универсальных констант — физической (радиолиния межзвездного водорода) и математической.

Какую поляризацию использовать?

Параметры поляризации излучаемого колебания призваны показать его искусственное происхождение. Кроме того, направление вращения круговой поляризации или ориентацию плоскости линейной поляризации можно менять дискретно либо непрерывно, вводя то или иное разумное сообщение (поляризационная модуляция).

В увлекательном научно-фантастическом романе американского астрофизика Карла Сагана «Контакт» в радиопослании, полученном землянами с Веги, цифровое сообщение передавалось с помощью скачкообразных переключений поляризации. У нас такие методы пока еще не получили широкого распространения, однако предположение Сагана заслуживает, как нам кажется, серьезного внимания тех, кто занимается передачей и поиском разумных сигналов во Вселенной.

Какова должна быть мощность передаваемого радиоизлучения?

Три из четырех межзвездных радиопосланий отправляют с помощью передатчика радиотелескопа РТ-70 из Национального центра управления и испытания космических систем Украины (бывший Центр Дальней Космической связи СССР) близ Евпатории
Три из четырех межзвездных радиопосланий отправляют с помощью передатчика радиотелескопа РТ-70 из Национального центра управления и испытания космических систем Украины (бывший Центр Дальней Космической связи СССР) близ Евпатории

Со временем, если будет поставлен вопрос о мощности передатчиков специальных радиостанций для непрерывного и планомерного осуществления METI, оценить ее не составит большого труда. А если речь идет о том, чтобы проводить METI уже сейчас, на тех инструментах, которые есть или появятся в обозримом будущем, правильней ставить вопрос не о мощности передатчика, а об энергии радиоизлучения, которая должна быть затрачена нами на каждый бит передаваемой информации. Расчеты дают следующие значения скорости передачи информации для трех самых мощных из существующих в настоящее время передающих систем (числа в скобках соответственно диаметр передающей антенны, средняя мощность и длина волны):

  • радиолокационный телескоп в Аресибо, Пуэрто-Рико (300 м; 1000 кВт; 12,5 см) — 1000 бит/с;
  • планетный радиолокатор в Голдстоуне, Калифорния (70 м; 480 кВт; 3,5 см) — 550 бит/с;
  • планетный радиолокатор под Евпаторией, Крым (70 м; 150 кВт; 6,0 см) — 60 бит/с.

В расчетах было принято, что расстояние, на которое надо передавать наше сообщение, составляет 70 световых лет и что приемная система внеземной цивилизации располагает антенной с эффективной поверхностью 1 млн квадратных метров (проект такой радиоастрономической антенны сейчас разрабатывается, и она может быть построена в ближайшее десятилетие).

Какую применять модуляцию?

Идущие уже более 40 лет непрерывные поиски разумных сигналов других цивилизаций используют, в подавляющем большинстве, удивительно похожий алгоритм обнаружения. Принимаемое излучение подвергается цифровому спектральному анализу, при этом количество каналов анализа достигает сотен миллионов и даже нескольких миллиардов. Например, в проекте «Феникс» американского Института SETI используется цифровой спектроанализатор на 2 млрд. каналов с шириной 1 герц, что позволяет в реальном времени анализировать полосу в 2 мегагерца, а в режиме обработки записей — 2 гигагерца! Предположив, что этот алгоритм оптимален, мы приходим к выводу, что модуляция должна иметь ясный спектральный язык, позволяющий с наименьшими потерями обнаружить излучаемые нами сигналы именно с помощью параллельных спектральных анализаторов. Такая модуляция известна, она называется частотной и широко используется на Земле.

Какими должны быть оптимальные структура и методы кодирования?

Договорившись, что радиопослание может быть синтезировано на основе спектрального подхода, наиболее наглядного и физически обоснованного, мы приходим к следующей структуре. В соответствии с тремя типами однозначной частотной функции — константа, непрерывная, дискретная — радиопослание имеет трехзвенную структуру и использует три языка: «язык природы», «язык эмоций», «язык логики». В таблице использован термин «сонограмма», обозначающий двухмерную визуализацию спектрального состава сигнала в координатах: ось X — частота, ось Y — время.

Спектральная структура межзвездных радиопосланий
Спектральная структура межзвездных радиопосланий

Здесь уместно провести аналогию с триединой структурой нашего мышления, где различаются три компонента — интуитивный, эмоциональный и логический. Первая часть радиопослания конструируется радиоинженерами и представляет собой когерентное зондирующее колебание, например простейшее монохроматическое или с периодической линейной частотной модуляцией. Можно ввести в его частоту переменную доплеровскую поправку, чтобы нас наблюдали со стороны на постоянной частоте. При наличии интуиции другая цивилизация сможет понять, каким именно был исходный зондирующий сигнал. Вторая часть создается людьми искусства и представляет собой аналоговые вариации частоты, отображающие наш эмоциональный мир и наши художественные образы. Простейший пример — классические музыкальные мелодии.

Сонограммы трех 40-секундных фрагментов музыкальных произведений, исполненных на терменвоксе — электромузыкальном инструменте, генерирующем сигналы с минимальным уровнем обертонов. Слева направо: финал 9-й симфонии Бетховена, «Лебедь» Сен-Санса и «Лето» Гершвина
Сонограммы трех 40-секундных фрагментов музыкальных произведений, исполненных на терменвоксе — электромузыкальном инструменте, генерирующем сигналы с минимальным уровнем обертонов. Слева направо: финал 9-й симфонии Бетховена, «Лебедь» Сен-Санса и «Лето» Гершвина
Третья часть — дискретная частотная манипуляция, цифровой поток данных, отражение наших логических построений: алгоритмов, теорий, накопленных знаний о самих себе и о мире вокруг нас.

Первая страница радиосообщения, отправленного к ближайшим звездам участниками проекта «Космический зов» летом 1999 года при помощи радиотелескопа на Украине. Страница состоит из одних только чисел, что должно сделать ее намного проще для расшифровки,
Первая страница радиосообщения, отправленного к ближайшим звездам участниками проекта «Космический зов» летом 1999 года при помощи радиотелескопа на Украине. Страница состоит из одних только чисел, что должно сделать ее намного проще для расшифровки,

Зачем передавать межзвездные радиопослания?

Здесь мы ступаем на зыбкую почву нечетких доводов и предположений. Строгого доказательства необходимости METI дать практически невозможно. Эмоциональные и этические соображения мессианского и альтруистического толка, типа «затем, чтобы принести другим долгожданную весть о том, что они не одиноки во Вселенной», убеждают и вдохновляют пока очень немногих. И тем не менее нам следует понять простую вещь: если в космосе есть лишь цивилизации—«искатели» и нет цивилизаций—«излучателей», то Вселенная молчит и любые поиски попросту лишены всякого смысла...

Не опасно ли проводить METI?

Боязнь передач вовне называется METI-фобией. Началась она сразу после отправки в 1974 году из Аресибо первого межзвездного радиопослания. Нобелевский лауреат радиоастроном Мартин Райл выступил тогда в печати с требованием запрета любых попыток радиопередач с Земли в адрес предполагаемых внеземных цивилизаций.

Возразить можно следующее: если существует нечто настолько сверхмощное и агрессивное, от которого нет никакого спасения, то оно либо давно бы уже обнаружило нас, либо непременно обнаружит — в первую очередь по радиоизлучению десятков военных радаров в США и России, составляющих основу национальных систем предупреждения о ракетном нападении. Они работают непрерывно, круглые сутки, днем и ночью с середины 1960-х годов. Стремиться же к контакту надо со всеми мыслимыми цивилизациями, в том числе и такими безобидными и «маломощными», как мы, которые на непостижимых космических расстояниях в состоянии взаимодействовать лишь путем передачи и приема электромагнитных сигналов.
За всю историю нашей цивилизации было разработано и доведено до практической реализации лишь четыре проекта передачи межзвездных радиопосланий. Их названия, даты и параметры приведены ниже в таблице.

Передача межзвездных радиопосланий
Передача межзвездных радиопосланий

Первое послание из Аресибо размером 1679 бит было отправлено к шаровому скоплению M13. Спустя 25 лет отправка радиопосланий была возобновлена, но уже с помощью Евпаторийского планетного радиолокатора. В 1999 году в космос к четырем звездам солнечного типа было передано послание «Космический зов 1» (Cosmic Call 1). Оно представляло собой своеобразную энциклопедию земных представлений о самих себе и окружающем мире, написанную на специальном языке Lexicon, а также сведения о проекте и его участниках. Кроме того, в его состав было включено и Аресибское послание. Размер «энциклопедии» составлял 370 967 бит.

В 2001 году к шести звездам солнечного типа было отправлено «Детское радиопослание» (Teen-Age Message). Здесь в первый и, к сожалению, единственный раз была применена описанная выше трехзвенная структура: сначала излучалось монохроматическое зондирующее колебание, затем передавалась аналоговая информация (музыка) и, наконец, цифровая. В качестве источника аналогового колебания использовался электромузыкальный инструмент терменвокс, генерирующий квазимонохроматические сигналы с низким уровнем обертонов, что облегчает обнаружение и «восприятие» таких сигналов на межзвездных расстояниях. Цифровая часть состояла из 28 двоичных изображений суммарным размером 648 220 бит.

В 2003 году к пяти звездам солнечного типа было отправлено послание «Космический зов 2» (Cosmic Call 2). Это первое интернациональное радиопослание, и в него были включены фрагменты всех трех предыдущих посланий. Мы считаем, что именно такими и должны быть будущие письма с Земли.

Ссылки:
1) Л. М. Гиндилис. SETI: Поиск Внеземного Разума. М.: Физматлит, 2004.
2) The Arecibo Message of November, 1974. Icarus, vol. 26, 462-466 (1975).
3) А. Л. Зайцев. Радиовещание для внеземных цивилизаций. Бюллетень SETI, 1999, № 15.
4) Л. М. Гиндилис, С. Е. Гурьянов, А. Л. Зайцев, С. П. Игнатов, Е. В. Казаков, Н. Т. Петрович, Б. Г. Пшеничнер, И. А. Феодулова, Л. Н. Филиппова, С. П. Яценко. Сигнал отправлен: Детское радиопослание внеземным цивилизациям. Вестник SETI, 2002, № 3/20.
5) А. Л. Зайцев и Р. Браастад. Синтез и передача межзвездного радиопослания «Cosmic Call 2003». Вестник SETI, 2003, № 5/22-6/23.
6) An Interview with Dr. Yvan Dutil.
7) Радиопослания внеземным цивилизациям.
8) Interstellar Radio Messages.


Комментарии (6)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия