Междугородний звонок
E.T. удалось позвонить домой с Speak and Spell, лезвие для бензопилы и зонт . Реальность межзвездного общения немного сложнее. Пространство действительно очень большое. Мощность, необходимая для передачи сигнала через пустоту, огромна. Однако вместо использования сверхмощных передатчиков недавнее исследование Стивен Керби а также Джейсон Т. Райт показывает, что мы можем использовать естественное усиление сигнала, встроенное в солнечные системы - гравитационное линзирование звезды солнечной системы. Объединение в сеть ряда звезд в качестве узлов могло бы получать сигналы через обширные участки Млечного Пути. И мы можем определить, находится ли наше Солнцеужечасть инопланетной галактической сети связи.
Далекие спутники в дальних уголках Солнечной системы могут использовать естественную фокусировку света Солнцем для связи в космосе - c. НАСА
Подобно тяжелому мячу, помещенному на батуте, массивный объект, такой как звезда, заставляет само пространство искривляться, создавая «гравитационный колодец». И масса, и энергия, перемещающиеся в искривленном пространстве, будут следовать этой кривой. Например, наша орбита вокруг Солнца - это буквально Земля, движущаяся по кривой в космосе, образованной массой нашей звезды. Когда свет распространяется в пространстве, его путь также следует этим кривым, заставляя свет искривляться. Эффект похож на то, как свет отклоняется стеклянной линзой, поэтому отклонение света под действием силы тяжести называется «Гравитационное линзирование» . Подобно линзе, звезды могут фокусировать удаленный источник света, например радиосигнал, значительно увеличивая усиление сигнала, или точно так же фокусировать исходящий сигнал для лучшей передачи. Гравитационное линзирование также видно в наши телескопы под названием «Кольца Эйнштейна», поскольку это была работа Эйнштейна по теории относительности, которая продемонстрировала кривые массы в пространстве.
Изображение гравитационного колодца - искривление пространства, созданное массивным объектом вроде планеты. Луна движется сквозь гравитацию Земли, хорошо удерживая ее на орбите - c. НАСА
«Кольцо Эйнштейна», созданное светящейся красной галактикой LRG 3-757 - центральная красная точка на изображении. Подковообразная форма, окружающая галактику, - более далекая галактика за LRG 3-757 на заднем плане. Падающий свет более далекой фоновой галактики изгибается ВОКРУГ LRG 3-757 на переднем плане из-за гравитационного линзирования, позволяющего нам видеть более далекую галактику, хотя она находится за галактикой переднего плана - c. НАСА / ХАББЛ
Поскольку гравитация нашего Солнца фокусирует свет, принимающий или передающий аппарат может быть размещен вдоль оси, которая проходит между далекой целевой звездой, где может исходить сигнал, Солнцем, и фокальной линией, где Солнце фокусирует этот сигнал от целевой звезды. Целевая звезда тогда находится прямо напротив космического корабля на другой стороне Солнца, которое космический корабль видит не сквозь, аоколоСолнце как Солнце изгибает свет вокруг себя под действием силы тяжести. Представьте себе это как глазное яблоко: Солнце - это линза вашего глаза, а космический корабль находится позади вашей сетчатки (но свет идет вокруг стекла «линзы», а не сквозь нее).
По мере получения сигналов корабль может передавать информацию на Землю или отправлять сигнал другому передатчику / приемнику, расположенному вокруг Солнца, выровненному с другой далекой целевой звездой, чтобы направить сигнал вперед. Для подключения к другой звездной системе потребуется еще один корабль, расположенный на далекой целевой звезде. Нам еще предстоит создать подобную сеть, но, возможно, у других цивилизаций это уже есть.
Как глаз фокусирует свет. Представьте, что дальняя точка - это далекая целевая звезда, линза - это эффект гравитационного линзирования Солнца, а сетчатка - это место, где будет находиться принимающий космический корабль. c. общественное достояние
Далеко
Используя теорию относительности, можно определить измерение минимального фокусного расстояния нашего Солнца в космосе… около 550 а.е.тринадцать разрасстояние до Плутона. В настоящее время наш самый далекий зонд - это «Вояджер-1», запущенный в 1977 году, который после 44 лет полета находится на расстоянии 154,7 а.е. (около 21 с половиной часа со скоростью света) в космосе. И 550AU представляет толькоминимумфокусное расстояние, на котором свет от цели изгибается вокруг поверхности Солнца, а не теряется в самом Солнце. Некоторые цели могут быть сфокусированы Солнцем еще дальше в космос. С нашей нынешней технологией мы могли бы припарковать космический корабль так далеко, но на то, чтобы добраться туда, потребуется много времени. По мере совершенствования нашей двигательной техники такая миссия становится еще более возможной.
Какого усиления сигнала можно добиться с помощью гравитационной линзы Солнца?Много. Оценки исследования показывают, что входящая передача, сфокусированная на Солнце, может увеличить усиление на 120 дБ (децибел). Диапазон в десять децибел означает десятикратное усиление… так что 10триллионкратное увеличение усиления сигнала - эквивалент перехода от едва слышимого шепота к живому рок-концерту. Повышенное усиление означает отсутствие необходимости развертывать сверхмощные передатчики для перебора сообщений через пустоту или аналогичные сверхчувствительные приемники. Мы можем использовать более эффективное естественное усиление сигнала, создаваемое гравитацией Солнца.
«Звезды работают как линзы, а это означает, что они обеспечивают естественный и мощный способ усиления сигналов на межзвездных расстояниях. Можно провести аналогию с вершинами холмов и вышками сотовой связи: конечно, вымогпостроить сотовую сеть, не ставя башни на вершинах холмов, но если холмы все равно есть, почему бы вам не использовать их? Так что, если существует «Галактический Интернет», было бы удивительно, если бы он не использовал эти линзы ».
-Джейсон Райт
Подруливающие устройства на хранении станции
Сохранять фокус - сложная задача. Используя двигатели, космический корабль, передающий или принимающий сигналы в идеальном фокальном местоположении, должен будет удерживать положение относительно Солнца с точностью до ста метров. Подумайте об этом - точность позиционирования менее километра, в то время какмиллиардыкилометров отсюда. Для точной юстировки потребуется автоматическая юстировка космического корабля по двум основным причинам несовпадения. Первый - это притяжение самого Солнца внутрь. На крайнем фокусном расстоянии гравитация Солнца относительно мала по сравнению с тем, где вращаются планеты нашей солнечной системы. Но потеря тяги все равно приведет к падению корабля в Солнечную систему по эксцентрической «кометоподобной» орбите, которая в конечном итоге погрузится в само Солнце через несколько тысяч лет.
Вторая основная причина смещения - колебательное движение Солнца. Орбита звездных планет, особенно массивных газовых гигантов, таких как Юпитер, заставляет звезду раскачиваться, поскольку ее планеты проявляют гравитационное притяжение. Колебание нашего Солнца является самым большим нарушением согласованности между далекой целевой звездой, Солнцем, и космическим кораблем связи. Корабль может быть оснащен оптическим прицелом, который будет передавать информацию о местоположении на компьютер наведения корабля, используя относительное положение других звезд. В качестве альтернативы телескоп может быть направлен на Солнце, чтобы гарантировать, что целевая звезда, от которой принимается сигнал, находится в кольце Эйнштейна Солнца. Так же, как изображение кольца Эйнштейна LRG 3-757 выше показывает, как светит далекая фоновая галактика.околоболее близкая галактика на переднем плане, удаленная целевая звезда, от которой космический корабль принимает сигнал, будет выглядеть как световое кольцо, окружающее Солнце с точки зрения корабля.
Колебание звезды из-за орбиты планеты в солнечной системе звезды c.NASA
Какие звезды могли бы стать идеальными узлами в гипотетической сети? Авторы рекомендуют искать сферические звезды, требующие меньшей регулировки фокуса и, следовательно, меньшего расхода топлива космическим кораблем. Менее сферические звезды искажают сигналы. Даже наше Солнце не имеет идеально сферической формы. Звезды с более высокой скоростью вращения выпирают к своему экватору и менее идеальны. Более массивные звезды с большей гравитацией оказывают большее притяжение на космический корабль. Звезды с большим количеством планет или с газовыми гигантами на близких орбитах - горячие юпитеры - имеют более выраженное колебание, требующее большей тяги для сохранения положения. Звезды со звездами-компаньонами, двойными или тройными системами, будут иметь еще более выраженные колебания.
Что такое гравитационное линзирование - Видео от Fraser Cain of Universe Today
Космический корабль связи с более эффективной двигательной установкой мог бы сохранять позицию и фокусировку в течение более длительного времени. Если взять Солнце в качестве примера солнечной системы, космический корабль, использующий нашу химическую ракетную тягу, мог бы сохранять положение фокуса в течение нескольких сотен лет. Учитывая время прохождения света между звездами в нашей галактике - десятки, сотни или даже тысячи лет - это не так уж много времени. С ионными двигателями, которые также используются некоторыми из наших современных спутников и зондов, вы можете сохранять фокус в течение почти тысячелетий. Но что, если бы вы были инопланетной цивилизацией с более совершенными двигательными установками?
Мы в петле?
Мы уже экспериментируем с ракеты на основе термоядерного синтеза это могло стабилизировать корабль на десятки тысяч лет. За пределами нашей нынешней технологии, но гипотетически возможной существует двигательная установка на антивеществе, которая могла бы стабилизировать корабль длямиллионылет. Экзотические двигатели, такие как антивещество, могут быть легче обнаружены, чем другие формы движения, то есть если они есть.являетсякорабль связиужев нашей солнечной системе, помещенной туда другой цивилизацией, мы могли бы увидеть это.
Что я имею в виду под «уже?» Авторы отмечают, что, возможно, Солнцев настоящее времячлен коммуникационной сети - один из многих узлов, на котором размещается инопланетный коммуникационный корабль. Как бы мы об этом не знали? Что ж, если инопланетный космический корабль использует гравитационную линзу нашего Солнца, его будет трудно обнаружить, так как он будет на расстоянии сотен а.е. - будущая область интереса для исследования артефактов SETI (поиск внеземного разума, ищущий инопланетные артефакты). Это может выдать экзотическая силовая установка. Кроме того, сигналы, сфокусированные гравитационным линзированием, имеют форму узкого конуса, через который Земля не может двигаться по орбите. Если Земля не проходит через этот конус сигнала, сеть инопланетных коммуникационных облаков проходит прямо через нашу солнечную систему незамеченной - объяснение тишины галактики, если есть инопланетные цивилизации, использующие гравитационно-линзовые сигналы.
«Если ETI сможет преодолеть инженерные проблемы, которые мы исследовали, они могли бы использовать гравитационные линзы для передачи сигналов через галактику в обширной сети узлов связи. Они могли преодолевать огромные космические просторы и более надежно общаться. Хотя нам необходимо проводить наблюдения, чтобы увидеть, используется ли для этой цели Солнце или другая звезда, это также дает представление о том, как человечество может общаться через галактику в далеком будущем ».
-Стивен Керби, ведущий автор
Предполагая, что гравитационное линзирование используется для межзвездной связи и что некоторые звездные системы могут иметь лучшие точки приема / передачи, чем другие, мы могли бы сузить поиск по радио SETI (поиск ETI с использованием радиопередач) до этих идеальных систем. Более полный обзор соседних звездных систем покажет, являются ли они лучшими кандидатами в сети - сферическими звездами с меньшим колебанием. Затем мы могли бы искать исходящие / входящие сигналы из области, противоположной их местоположению в нашей собственной солнечной системе, где их свет будет фокусироваться нашим Солнцем на потенциальный передающий / принимающий корабль.
Авторы также предлагают два других варианта содержания станций. Во-первых, вы можете разместить топливный склад рядом с идеальным местом фокусировки, которое космический корабль связи использует для дозаправки. Во-вторых, на орбиту Солнца можно вывести целое созвездие средств связи. Каждый будет сохранять позицию в течение короткого времени, а затем позволить себе упасть с места, вращаться вокруг Солнца, а затем вернуться на свое место. Корабль будет повторять эту орбиту последовательно с другими зондами, чтобы каждый космический корабль уменьшал общие затраты на топливо, оставаясь на месте, в то время как по крайней мере один корабль всегда оставался в фокусе. Если инопланетная цивилизация использует несколько кораблей в системе, то вероятность обнаружения отдельного корабля больше.
Главное зеркало 6,5 м космического телескопа Джеймса Уэбба. Для сравнения, размер зеркала космического телескопа Хаббла составляет всего 2,4 метра.
c. НАСА / Лаборатория реактивного движения
Супер-прицелы
После долгих лет задержки долгожданный космический телескоп Джеймса Уэбба был открыт. скоро запуск (ориентировочно 18 декабряthэтого года). Джеймс Уэбб недавно завершено путешествие по морю к месту запуска во Французской Гвиане. Этот прицел следующего поколения обеспечит беспрецедентный вид на Вселенную.НоПодобно тому, как эффект линзирования Солнца увеличивает усиление сигнала, этот эффект также увеличивает далекие звездные системы и другие космические объекты, создавая гигантский супертелескоп. Гравитационный телескоп был бы намного мощнее всего, что мы создали, способного на просмотр эксполанца с такой же ясностью, как мы видим планеты в наша собственная солнечная система!
А пока мы с нетерпением ждем этих первых изображений JWST. И если мы когда-нибудь запустим прицел / передатчик с гравитационной линзой, возможно, мы уже найдем еще один от кого-то другого! Невероятно думать, что, может быть, через нашу систему уже проходит магистраль коммуникационного трафика. Кто знает, какие разговоры мы упускаем - исследования древних планет, новые передовые технологии… заказы на межзвездные перевозки на вынос? Может, узнаем!
«Поиск внеземного разума настолько междисциплинарен, что ученые из всех областей могут внести свой вклад. Это видение разнообразных и непредвзятых исследований, которое должно стать целью научного сообщества, и для меня очень полезно учиться у астрономов из разных академических и личных кругов. SETI также захватывает воображение публики и помогает каждому задуматься о месте человечества в космосе ».
-Стивен Керби, ведущий автор
Следуйте за Мэтью, чтобы узнать больше космических историй на Instagram а также Твиттер
Изображение функции:Рис. 1 от Керби и Райта, 2021 г. «Схема осевой звездной ретрансляционной системы, углы раскрытия, расстояния и размеры не в масштабе. Первоначальный несфокусированный луч передачи может даже иметь кольцевую форму, чтобы предотвратить потерю потока на диск Солнца. Обратное расположение можно использовать для приема сигналов от далекой звезды путем фокусировки лучей на космический корабль ». c. Керби и Райт 2021
Больше для изучения
[2109.08657] Разработка звездных гравитационных линз для межзвездных коммуникаций и артефактов SETI (arxiv.org) (Автор статьи Керби и Райта об исследовании открытого доступа)
Стивен Керби | Научный колледж Эберли (psu.edu)
Джейсон Т. Райт | AstroWright (psu.edu)
ЕКА - ЕКА приветствует Уэбба во Французской Гвиане для запуска на Ариане 5