Несмотря на то, что сейчас мы активно пытаемся услышать сигналы инопланетян, сами мы никогда не осуществляли преднамеренных долгосрочных трансляций. Какой сигнал нам следует отправить в идеале?
Ключевые тезисы:
-
Поиск внеземного интеллекта, программа SETI, начался более 65 лет назад с целенаправленных поисков приходящих из космоса радиосигналов с характерными признаками разумных паттернов.
-
С тех пор мы не только так никого и не услышали, но и пришли к неутешительному выводу: если бы мы с нашими текущими технологиями оказались в любом другом месте Галактики, мы (с Земли) не смогли бы обнаружить даже самих себя.
-
С учетом этого, если мы действительно решим предпринять усилия, чтобы быть обнаруженными разумной инопланетной цивилизацией в нашей Галактике, что и как нам следует отправлять? Послание, среда и метод имеют огромное значение.
Один из величайших открытых вопросов Вселенной — это то, насколько распространена разумная инопланетная жизнь сейчас, в этот самый момент. Мы можем представить, что внеземной интеллект распространен широко и что Млечный Путь буквально кишит цивилизациями, тысячами или даже миллионами столь же интеллектуально продвинутых или даже более технологически развитых, чем мы. Альтернативный взгляд состоит в том, что наша цивилизация может оказаться крайней редкостью, что лишь немногие цивилизации возникают в Галактике когда-либо, и что найти кого-либо еще для общения в настоящее время чрезвычайно сложно. На еще более крайнем полюсе находится предположение о том, что цивилизации могут быть настолько редкими, что, возможно, мы совершенно одиноки в Галактике, и нам придется искать собеседников на внегалактических расстояниях, или, возможно, в самом экстремальном сценарии из всех, мы совершенно уникальны во всей Вселенной.
Пока мы не найдем где-либо еще второй пример жизни любого типа, мы будем оставаться в полном неведении о том, что или кто еще может там быть. Но это не значит, что нам не следует слушать, и, с другой стороны, что нам не следует транслировать сигналы с явным намерением быть обнаруженными. Хотя много усилий было сосредоточено на программе SETI, или поиске внеземного интеллекта, мы выделили гораздо меньше ресурсов на METI, или отправку посланий внеземному интеллекту. Если бы мы отнеслись к этому серьезнее, как бы это выглядело? Вот что хочет узнать наш спонсор на Patreon Джефф Бонвик, написавший нам:
«Если бы правительства мира объединились и назначили вас Главным Передатчиком, какое послание и какую среду для него вы бы выбрали? Лично я бы выбрал в качестве послания простые числа, потому что любая цивилизация, открывшая математику, откроет и простые числа, и ни один естественный процесс их не производит. Со средой менее очевидно — выбрали бы вы электромагнитную, гравитационную, нейтринную или что-то еще? Я бы склонялся к нейтрино, потому что Вселенная прозрачна для них независимо от красного смещения, но, с другой стороны, их трудно детектировать по той же причине. Как бы выглядело ваше Hello world?»
Это отличный вопрос, и он дает нам много пищи для размышлений. Вот какими были бы мои главные приоритеты.
Давайте начнем с рассмотрения текущих ограничений в отношении того, что мы могли бы реально обнаружить, поскольку это определяет, какие типы сигналов нам следует рассматривать для отправки сообщений. При этом учитываем, что все сигналы могут распространяться не быстрее скорости света в вакууме.
Электромагнитные сигналы (различные формы света) имеют огромное преимущество: их легко обнаружить. Фотоны легко генерировать, и с помощью достаточно больших и чувствительных телескопов их легко детектировать. На самом деле, любой сигнал, который выделяется на фоне космического шума в определенной длине волны, может быть обнаружен. Подвох кроется в том, что для генерации луча света требуется энергия, и чем короче длина волны света, тем больше энергии требуется. Кроме того, свет распространяется в пространстве сферически, и если что-то излучающее находится в два раза дальше, мы получаем только одну четвертую энергии, попадающей в наш телескоп. Это были плюсы и минусы электромагнитного сигнала.
Хотя мы можем рассматривать «частицы» в общем смысле как альтернативу излучению, нейтрино — это единственная частица, которую имеет смысл отправлять в виде сигнала, поскольку все остальные частицы взаимодействуют с тем, что находится в межзвездной (или межгалактической) среде, а значит, такие сигналы неизбежно деградируют. Нейтрино имеют огромное преимущество (и недостаток), заключающееся в том, что они почти никогда не взаимодействуют с веществом, что означает, что, хотя их очень трудно обнаружить, нейтринный сигнал может проходить почти через что угодно, даже через звезду или её остаток, и все же достигать намеченной цели.
А гравитационные волны, или рябь в самой ткани пространства-времени, могут быть самым трудным для обнаружения сигналом из всех, но их энергия может поглощаться только очень специфическими конфигурациями, что делает их идеальным сигналом для больших расстояний. На самом деле, если бы мы построили детектор типа LIGO с улучшенными характеристиками и базой в десять раз больше текущей, мы могли бы обнаруживать слияния черных дыр звездных масс из любой точки наблюдаемой Вселенной.
Конечно, сигнал делает интересным с точки зрения обнаружения не только то, как далеко он может пройти, но и такие критерии, как:
-
Насколько легко создать такой сигнал?
-
Сколько энергии требуется для его создания?
-
Сколько энергии должен нести принятый сигнал, чтобы быть обнаруженным?
-
И как мощность сигнала ухудшается с расстоянием?
Для света или электромагнитного излучения сигналы очень легко производить, но создать сигнал большой мощности, который идет во всех направлениях, — очень сложная задача. Обычно мы обнаруживаем световые сигналы на основе количества энергии, которая попадает в детектор, и энергия любого светового сигнала напрямую зависит от длины волны этого света и распространяется как сфера: обратно пропорционально квадрату расстояния.
Последние два свойства верны и для частиц (например, нейтрино), и для гравитационных волн. Чем короче (дебройлевская) длина волны нейтрино или чем короче длина гравитационной волны, тем большую энергию она несет, поскольку энергия обратно пропорциональна длине волны. Энергия любого из этих сигналов распространяется как сфера, уменьшаясь обратно пропорционально квадрату расстояния. Для фотонов и нейтрино отдельные частицы распространяются как сфера, что означает, что меньшее их количество перехватывается телескопом того же размера на больших расстояниях, это же характерно и для энергии гравитационных волн.
У нейтрино есть большое преимущество при очень высоких энергиях: их сечение, или вероятность взаимодействия, зависит от их энергии. Нейтрино более высоких энергий гораздо легче обнаружить, чем нейтрино более низких энергий. Вот почему мы никогда напрямую не обнаруживали низкоэнергетические нейтрино, оставшиеся от Большого взрыва, мы видели их только косвенно. Но благодаря мощи нейтринного детектора IceCube, удостоенного Нобелевской премии, мы смогли обнаружить ультраэнергетические нейтрино из источников на расстоянии миллиардов световых лет. Однако, поскольку нет «очевидного» сигнала, который нейтрино, испущенные с Земли, могли бы быть идентифицированы каким-либо иным способом (например, путем перекрестной корреляции с электромагнитным сигналом), нейтринный сигнал, созданный искусственно, не был бы идентифицирован как таковой; мы пока не знаем, как генерировать достаточно большой поток нейтрино, чтобы сделать этот вариант жизнеспособным.
С другой стороны, у гравитационных волн есть преимущество, которого нет у нейтрино. Если нейтрино обнаруживаются только по их потоку, который распространяется обратно пропорционально квадрату расстояния, то гравитационные волны обнаруживаются по амплитуде волны, которая падает только обратно пропорционально расстоянию, а не обратно пропорционально квадрату расстояния. Это потому, что детекторы гравитационных волн основаны на принципе резонанса, где энергия пропорциональна квадрату амплитуды. Если мы удалимся в десять раз дальше, даже если энергетический сигнал упадет до всего одной сотой, амплитуда волны упадет только в десять раз, что даст нам огромное преимущество на больших расстояниях.
К сожалению, у гравитационных волн есть огромная проблема: их колоссально трудно обнаружить, требуются массы, превышающие массу Солнца на расстояниях, сравнимых с размером горизонта событий черной дыры, чтобы их можно было обнаружить с помощью текущих технологий. У нас нет способа генерировать такой гравитационно-волновой сигнал большой амплитуды ни с чем иным, кроме черной дыры или нейтронной звезды, и это далеко за пределами наших возможностей в настоящее время. Если бы мы могли это сделать, вибрация нескольких из них по соответствующему паттерну могла бы генерировать тип сигнала, который наблюдался бы в устройстве, которое мы способны построить в лаборатории (например, в резонансном стержне Вебера), но опять же, это далеко, далеко за пределами возможностей текущих технологий, и все поиски с использованием стержней Вебера давали только нулевые (или невоспроизводимые) результаты.
Это оставляет нам пока только электромагнитное излучение, которое по-прежнему остается оптимальным выбором по многим параметрам. Точно так же, как обнаружение гравитационных волн работает по принципу антенны, мы можем использовать антенны для обнаружения электромагнитных волн тоже. Когда мы говорим о создании «импульсов» в сигнале, что является способом кодирования информации в них, это равносильно изменению амплитуды. Это очень сложно для высокоэнергетических сигналов, таких как гамма-лучи и рентгеновские лучи, но очень легко для низкоэнергетических сигналов, поэтому мы традиционно передавали медиасигналы, такие как радио и телевидение, через низкоэнергетические длинноволновые электромагнитные волны. Также не случайно, что мы использовали детекторы на основе амплитуды, такие как антенны, для их приема.
В идеале, это и есть самый легко достижимый результат как для наблюдения сигнала разумного внеземного происхождения, так и для создания сигнала, пригодного для наблюдения разумным внеземным наблюдателем: самые длинноволновые, высокоамплитудные радиоволны, которые мы только можем генерировать и искать.
С точки зрения наблюдений, вот почему для программы SETI мы так хотим заполучить новые объектов, такие как:
-
перестроенная обсерватория Аресибо, чтобы иметь большую одноантенную чашу, которая идеальна для поиска длинноволновых сигналов и передачи мощных длинноволновых сигналов,
-
и Очень Большой Массив следующего поколения (ngVLA), который был назван приоритетнейшей миссией среди наземных объектов в Десятилетнем обзоре Astro2020 и стал бы идеальным обновлением наших древних, устаревших устройств для поиска радиосигналов искусственного происхождения, а также для тайминга пульсаров в поисках гравитационно-волновых сигналов и прямого изображения радиоисточников.
Это может быть самым старым, наиболее «классическим» способом поиска сигналов, но на то есть причина: именно там следует искать самый легко достижимый результат. Любая цивилизация, которая достигнет точки коммуникативности (возможности слушать и отправлять послания), достигнет этой точки сначала в длинноволновом диапазоне электромагнитного спектра. По этой самой причине именно там нам следует искать, и именно там нам следует стремиться отправлять послания, если мы надеемся быть услышанными.
К сожалению, если бы мы находились почти в любом месте Галактики, с нашими текущими технологическими возможностями мы бы не смогли обнаружить нашу собственную планету, даже со всеми теми сигналами, которые мы вообще когда-либо генерировали.
Хотя в фильме «Контакт» показано, как инопланетная цивилизация принимает и пересылает трансляцию Земли с церемонии открытия Олимпийских игр 1936 года, самого мощного радиосигнала, отправленного в то время, правда в том, что ни один сигнал, отправленный до конца 1950-х годов, не мог бы даже дойти до ближайшей звезды и выделиться на фоне радиошумов нашего Солнца. Самые ранние сигналы, способные выйти из атмосферы Земли и не быть подавленными радиоизлучением нашего Солнца, хотя бы временно, пришли из радарных передач времен Холодной войны: примерно 65-70 лет назад. Только около 300 звездных систем, составляющих около одной миллиардной части звезд Млечного Пути, находятся в радиусе времени прохождения света туда и обратно (32-35 световых лет) для этих сигналов.
Но даже при этом те сигналы не были непрерывными, а были краткими, прерывистыми и направленными. Они не повторялись, не были регулярными и не обязательно были бы идентифицированы как разумный сигнал, если бы внеземная цивилизация случайно не поняла, как декодировать сигналы, которые мы передавали. Однако в свое время мы отправили сигнал:
-
высокой мощности,
-
постоянной интенсивности,
-
с простым, информативным, постоянным посланием,
-
на одной, узкополосной частоте,
-
вдоль направленного, коллимированного луча трансляции.
Это было послание Аресибо: наша первая преднамеренная трансляция с намерением быть увиденными разумными инопланетянами.
Как показано выше, даже если бы оно было декодировано неверно, послание Аресибо, переданное в течение трех минут в ноябре 1974 года, было первым сигналом, который мог реально пересечь Млечный Путь на десятки тысяч световых лет. Если бы оно было получено внеземной цивилизацией, они действительно и довольно легко смогли бы сказать, что это сигнал, сгенерированный намеренно кем-то, кто хотел быть найденным. Но даже для этого нам потребовалась самая мощная радиоантенна в мире, и сигнал достиг площади менее одного квадратного градуса (который сам по себе составляет 1/40 000 часть неба) и достиг бы в общей сложности, возможно, всего нескольких сотен тысяч звезд: в основном в одном шаровом скоплении, которое является не самым лучшим местом для нахождения потенциально обитаемых планет.
На самом деле информационное содержание сигнала не особенно важно. Любой математический выбор импульсов, который также не встречается у импульсно-генерирующих объектов в природе, включая:
-
простые числа,
-
математически интересную последовательность любого типа (даже 1, 2, 3, 4…),
-
музыкальный паттерн,
-
последовательность Фибоначчи (часто используемую в лазерных импульсах),
-
что-то, что кодирует информацию о нашей звезде, планетной системе или Галактике,
легко было бы идентифицировано как сигнал разумного происхождения. Опять же, проблема не в том, «какой тип сигнала нам следует отправить, чтобы показать, что мы разумны?» Сам факт того, что мы намеренно отправляем идентифицируемый сигнал, является доказательством этого. Ключ в том, чтобы отправить сигнал, который дойдет в сохранности до нужного места.
То, что вы видите выше, — это карта звезд в Галактике. Она имеет цветовую кодировку по тому, что астрономы называют металличностью, или содержанием тяжелых элементов в родительской звезде. Именно этот фактор, больше чем любые другие, определяет, может ли звездная система действительно иметь потенциал для обладания обитаемой планетой, по крайней мере, насколько мы понимаем концепцию «обитаемости» сегодня. Поскольку звезды с достаточной металличностью в основном находятся в пределах нескольких градусов от галактической плоскости и преимущественно в сторону галактического центра, имеет смысл выбрать эту область в качестве региона, на который мы должны нацеливать наши трансляции.
Помимо этого, нам следует позаботиться о том, чтобы покрыть эту область посланием, которое одновременно должно быть:
-
Длинноволновым и низкочастотным, чтобы максимизировать отношение сигнал/шум при наименьшем количестве излучаемой мощности.
-
Последовательным и непрерывным, чтобы гарантировать, что тот, кто сканирует небо (как это делаем и делали мы до сих пор), не будет смотреть в нашу сторону во время отсутствия трансляции, пропустив наш сигнал.
-
В течение длительного периода времени, например, столетий или более, чтобы наш сигнал приходил и продолжал приходить, не ограничиваясь одним временным периодом, в противном случае, если они не наблюдают в этот момент, они нас пропустят.
-
И, да, с последовательностью амплитудно-модулированных импульсов, а также с любым типом информативного послания, которое мы хотим закодировать (включая инструкции о том, где мы находимся и как связаться с нами обратно) в виде более чувствительного сигнала, наложенного на основной, мощный, очевидный сигнал.
До своего обрушения в 2020 году телескоп Аресибо был первым, кто увидел множественные быстрые радиовсплески из одного источника, и первым, кто передал мощный сигнал, намеренно предназначенный для разумных инопланетян. Хотя быстрые радиовсплески не являются достаточным сигналом разумного внеземного происхождения, телескоп использовался для установки самых строгих ограничений на существование передающих инопланетных цивилизаций, а также был источником знаменитого послания Аресибо 1974 года. Использование радиотелескопов остается, пожалуй, самым мощным инструментом для поиска внеземного интеллекта, а перестроенный Аресибо мог бы стать лучшим инструментом для долгосрочной передачи сигнала, предназначенного для отправки посланий внеземным цивилизациям. Источник: Danielle Futselaar
Недостаток этого подхода в том, что он требует устойчивых инвестиций ресурсов, причем положительный результат вовсе не гарантирован: нам, вероятно, придется передавать сигнал долго, например, сотни лет, прежде чем мы получим первое «попадание» или ответ, даже в самом оптимистичном сценарии, где разумная жизнь распространена по всей Галактике. Если разумная жизнь встречается нечасто и в Галактике есть только, возможно, несколько (или несколько десятков) цивилизаций, время ожидания ответа, вероятно, составит тысячи или десятки тысяч лет, что потребует гораздо более длительных и существенных инвестиций. А если разумная жизнь редка, то единственный ответ, который мы когда-либо получим, будет, возможно, внегалактическим, что потребует времени ожидания в миллионы лет или более.
Тем не менее, большинство людей говорят о SETI так, будто это проект, который просто не смог ничего обнаружить, тогда как правда в том, что, исходя из того, что мы сами транслировали, мы не смогли бы обнаружить самих себя почти нигде в Галактике. Мы можем исключить, пожалуй, только самый чрезмерно оптимистичный мыслимый случай: когда в Млечном Пути прямо сейчас могло бы существовать, возможно, около миллиарда разумных цивилизаций, и все они непрерывно смотрели бы на нас, изучая наш мир на предмет любого рода сигнала, который мог бы указывать на интеллект.
Что касается поиска других цивилизаций и объявления о нашем собственном присутствии, проблема не в послании или средствах. Проблема в усилиях и ресурсах, которые мы вложили в это предприятие. Если мы хотим иметь реальный шанс на успех, нам еще предстоит пройти очень долгий путь.
Автор: avshkol
.jpg){kind=link}
