Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 7)
Предположим, передающая ВЦ знает (или имеет достаточно оснований надеяться), что ближайшая к ней цивилизация находится на расстоянии 3000 св. лет, в сфере, где имеются 108 звезд. Она может выбрать из них подходящие звезды, около которых ожидается наличие планет и разумной жизни на них. Доля таких звезд составляет приблизительно 5 %. Значит, надо будет обследовать 5 млн звезд. Облучать одновременно все звезды невозможно. Для этого потребовалось бы построить 5 миллионов гигантских антенн площадью 105 м2 каждая. Но главное даже не в этом: с каждой антенной должен быть связан передатчик мощностью 100 МВт, тогда полная мощность, излучаемая всеми антеннами, составит 5 • 1014 Вт, что значительно превышает энергетический потенциал цивилизаций I типа.
Остается единственная возможность поочередно облучать все 5 млн подходящих звезд. При этом принимающая цивилизация также будет производить поиск, обследуя 5 млн подходящих звезд, расположенных в радиусе 3000 св. лет от нее, среди которых лишь одна (!) посылает сигналы межзвездной связи. Эти сигналы могут быть обнаружены лишь в том случае, если в момент, когда наша антенна смотрит на передающую ВЦ, их антенна в этот момент направлена на нас. Конечно, вероятность такого события при обследовании миллионов звезд крайне мала и, следовательно, время поиска очень велико. Задачу поиска можно упростить, если на приемном конце линии связи принимающая цивилизация построит систему обнаружения, которая перекроет все небо или, по крайней мере, все подходящие звезды. Число антенн в такой системе обнаружения огромно. В нашем примере надо было бы соорудить не менее 5 млн антенн, причем гигантских размеров. Сооружение даже одной такой антенны составляет серьезную техническую задачу для цивилизации нашего уровня.
Но это еще не все. В нашем примере передающая ВЦ посылает монохроматические сигналы с полосой частот 2 Гц. Это не случайно. Более широкополосные сигналы на таком расстоянии при имеющейся мощности невозможно было бы обнаружить. А для обнаружения узкополосных сигналов надо точно знать их частоту. Если же она неизвестна, то приходится проводить сканирование по частоте. То есть к проблеме поиска сигнала по направлению добавляется проблема поиска по частоте. Предположим, что используется частота радиолинии водорода 1420,4 МГц. Она известна с высокой точностью. Но вследствие движения звезд, передатчик движется относительно приемника, и поэтому частота сигнала смещается на величину, зависящую от относительной скорости их движения по лучу зрения. Так как скорости звезд различны, то и сигналы будут испытывать различное смещение. А поскольку нам неизвестно, где, около какой звезды, находится передатчик, то необходимо обследовать всю полосу частот, в пределах которой может смещаться частота сигнала. Эта полоса достигает величины от долей мегагерца до нескольких мегагерц. Разыскать в такой полосе сигнал шириной несколько герц— очень тяжелая задача. Если осуществлять последовательный поиск, перестраивая частоту приемника, то на обследование всей полосы поиска потребуется слишком много времени. При этом не исключена такая ситуация, когда мы попадаем в луч передающей антенны, и сами в этот момент смотрим на нее, но пока мы будем производить поиск по частоте, перестраивая приемник, передающая ВЦ отвернет свою антенну, направив се на другую звезду (ведь ей в каждом цикле передачи надо облучить миллионы звезд, поэтому она не может тратить много времени на одну звезду). Конечно, это было бы очень обидно! К счастью, существует более подходящий способ поиска сигнала по частоте — использование многоканальных приемников, состоящих из множества отдельных узкополосных каналов, которые в совокупности перекрывают всю подлежащую исследованию полосу частот. Для межзвездной связи такие приемники должны содержать миллионы каналов. В настоящее время подобные многоканальные приемники уже созданы, и с их помощью ведется поиск сигналов.
Проблема поиска существенно упрощается, когда мы переходим к поиску сигналов от цивилизаций II и III типа по Кардашеву. Располагая гигантской мощностью (1026—1037 Вт), такие цивилизации могут вести непрерывную изотропную (или всенаправленную) передачу сигналов в очень широкой полосе частот, обеспечивая даже при этом условии их обнаружение на больших расстояниях. Это сразу исключает выбор по направлению для передающей ВЦ. Поиск ведет только цивилизация, которая ищет сигналы. Если она построит систему обнаружения, которая перекроет все направления в пространстве (всенаправленная система обнаружения), то сигнал непрерывно будет попадать в одну из приемных антенн. Заметим, что число антенн в системе обнаружения и размер каждой из них меньше, чем при приеме сигнала от цивилизаций I тина, так как в данном случае речь идет о приеме очень мощных сигналов. Исключается также поиск по времени, поскольку передающая ВЦ излучает непрерывно. Наконец, практически исключается поиск по частоте. Действительно, полоса частот передатчика для подобных цивилизаций может достигать 109—1011 Гц, что сопоставимо с шириной оптимального диапазона волн (см. ниже). Значит, если правильно выбрать диапазон, то приемник, работающий в этом диапазоне, сможет обнаружить сигнал без всякого поиска по частоте.
Как определить оптимальный диапазон? Для рассматриваемых широкополосных сигналов невозможно связывать его с какой-то определенной радиолинией, например, с линией 21 см, полоса которой составляет сотые доли процента от предполагаемой полосы сигнала. Кардашев, как и Дрейк, предложил вести поиск в диапазоне, где шумы минимальны и, тем самым, обеспечиваются наилучшие условия обнаружения сигнала. При этом он, следуя, по существу, тем же соображениям, что и Дрейк (принцип технического совершенства) считал необходимым принимать во внимание лишь принципиально неустранимые источники шума. Одним из таких источников, как мы видели (§ 1.2), является галактическое радиоизлучение. В качестве другого источника Дрейк рассматривал излучение атмосферы. Но его нельзя считать принципиально неустранимым, так как цивилизация может вынести приемную антенну за пределы атмосферы. Поэтому Кардашев не стал принимать во внимание этот источник шума, т. е. здесь он пошел дальше Дрейка, последовательно проводя «принцип технического совершенства цивилизаций». Вместе с тем, он учел еще один важный фактор — квантовые флуктуации.
Предположим, что отсутствуют все источники шума, включая излучение фона. Казалось бы в этом случае, раз нет шума, то для передачи единицы информации можно затратить сколь угодно мало энергии. Однако это не так. Вследствие квантовой природы электромагнитного излучения количество информации пропорционально числу излучаемых фотонов (в пределе каждый квант, каждый фотон несет один бит информации). Следовательно, энергия, затрачиваемая на один бит, не может быть меньше, чем энергия одного кванта
На рис. 1.4.1 приведен спектр шумов за пределами земной атмосферы по Кардашеву. В низкочастотной области спектра шумы определяются галактическим фоном, в высокочастотной области — квантовыми флуктуациями. Сплошная линия соответствует наблюдению в направлении на центр Галактики, она имеет минимум в области 1010 Гц (длина волны 3 см). Штриховая линия соответствует наблюдению в направлении на полюс Галактики, она имеет минимум на частоте 3 • 109 Гц (длина волны 10 см). В целом весь широкий диапазон спектра 109 ÷ 1011 Гц, где обеспечивается низкий уровень шума, можно считать оптимальным для межзвездной связи. Правда, здесь не учтено реликтовое излучение, которое было открыто позже, после появления работы Кардашева, но его учет качественно не меняет картину, если ограничиться рассмотрением радиодиапазона (см. ниже рис. 7.2.1).
Рис. 1.4.1. Спектр шумов за пределами земной атмосферы (без учета реликтового фона). Сплошная линия соответствует наблюдению в направлении на центр Галактики, штриховая — в направлении на полюс Галактики
Какова дальность обнаружения для сигналов сверхцивилизаций? При рассмотренных условиях (непрерывная изотропная передача в широкой полосе частот) дальность обнаружения для цивилизаций II типа может достигать 10 млн св. лет, что соответствует расстоянию до ближайших галактик. Для цивилизаций III типа дальность обнаружения порядка 10 млрд св. лет, что сопоставимо с размерами наблюдаемой Вселенной. Значит, если где-нибудь в нашей Галактике, или даже в соседних галактиках, существует хотя бы одна цивилизация II типа, то мы уже сейчас, при современном уровне радиотехники, можем обнаружить посылаемые ею сигналы. Что касается цивилизаций III типа, то такую цивилизацию можно обнаружить всюду, где бы она ни находилась, в пределах наблюдаемой области Вселенной.
Конечно, это достигается за счет предполагаемой гигантской мощности передатчиков сверхцивилизаций. Возникает вопрос — не будет ли слишком расточительным для них расходовать почти всю потребляемую ими энергию на радиоизлучение в целях межзвездной связи? Кардашев специально подчеркнул, что никакой расточительности здесь нет. Любая стабильная система с внутренними источниками энергии должна излучать во внешнее пространства ровно столько энергии, сколько она потребляет, иначе се температура будет постоянно возрастать. Значит излучение неизбежно, надо только преобразовать его в нужный диапазон спектра и закодировать для передачи информации. Но на преобразование и кодирование существенной доли энергии не требуется. Кардашев считал бесполезным пытаться представить себе технологию сверхцивилизаций, поэтому он не рассматривал конкретные пути технической реализации такой передачи, важно, что это не противоречит законам физики[20].