Страница:
Рассмотрим этот вопрос более подробно. Если антенна в сочетании с приемником принимает сигнал от источника строго постоянной интенсивности, то, как оказывается, показания измерительного прибора, стоящего на выходе приемника (например, осциллографа), не будут постоянны. По ряду причин одно независимое показание прибора будет более или менее значительно отличаться от другого. Эти флуктуации показаний прибора можно уменьшить, но полностью устранить их нельзя, так как они являются неизбежным следствием основных принципов работы приемника.
На рис. 94 приведена типичная запись регистрирующего прибора, показывающая такие флуктуации. Существует формула, дающая "среднее квадратичное" значение таких флуктуации в зависимости от некоторых характеристик приемника. Эта формула имеет вид:
?T / T = 1 / sqr (? ?f ), или
?T / T = 1 / v (? ?f )
где T - измеряемая "температура шумов" (пропорциональная "поглощенной" антенной мощности космического радиоизлучения плюс мощности шумов, возникающих в приемной аппаратуре),
?T - флуктуации измеряемой "шумовой" температуры, о которых речь шла выше,
? - время, в течение которого регистрирующий прибор на выходе приемника (осциллограф) "накапливает" поступающую в него после детектирования мощность,
?f - ширина полосы частот, усиливаемых приемником ("ширина полосы пропускания приемника"),
sqr - математический оператор - "корень квадратный".
Условие обнаружения какого-нибудь слабого сигнала состоит в том, что антенная температура, обусловленная этим сигналом, должна быть не меньше, чем флуктуации ?T. Запишем это условие:
TA ? ?T = T / sqr (? ?f), или
TA ? ?T = T / v (? ?f)
Для волн сантиметрового диапазона яркостная температура неба около 10 К. Между тем температура собственных шумов современных приемников на этом диапазоне может быть 50-100 °C (если пользоваться квантовыми усилителями). Поэтому уровень, вокруг которого происходят флуктуации, определяется только шумами аппаратуры и "шумовую" температуру в написанных выше формулах можно положить равной T = 50 °C. Теперь перепишем наше неравенство:
1/k W/R2 ?2/16 d12d22 / ?2 ? T (? ?f)-1/2
откуда
R ? W1/2 / k1/2 ? /4 d1d2 /? (? ?f)1/4/ T 1/2 .
Последняя формула позволяет определить дальность межзвездной радиосвязи в зависимости от мощности передатчика, размеров передающих антенн и характеристик приемника. Пусть d1= d1= 100 м, ? = 100 с, ?f = 104 Гц. Какой должна был мощность передатчика, чтобы осуществить связь на расстоянии 10 пк или 32 световых года? Из нашей формулы после несложных вычислений следует, что необходимая мощность передатчика должна быть равна 10 кВт - величина с точки зрения современной радиотехники очень скромная. По астрономическим понятиям эта мощность совершенно ничтожна. Например, мощность радиоизлучения спокойного Солнца на дециметровом диапазоне порядка 109 кВт. Между тем нет никакой надежды обнаружить его излучение с расстояния ближайшей звезды. Это объясняется тем, что Солнце излучает одинаково сильно по всем направлениям (изотропно) и в широкой спектральной области, тогда как пучок радиоволн искусственного происхождения достаточно узок и монохроматичен.
Выше было показано, что наиболее целесообразно осуществлять межзвездную радиосвязь на частотах в интервале 1-10 тыс. МГц. Однако этот интервал все-таки очень широк, и при узкой полосе частот сигнала последний почти невозможно будет обнаружить, если заранее не знать его частоту более точно. Коккони и Моррисон предложили очень изящную идею, указав частоту, на которой искусственные сигналы следует искать в первую очередь. Дело в том, что сама природа дает стандартный эталон частоты, который находится в интересующем нас диапазоне. Речь идет о частоте радиолинии водорода 21 см (см. гл. 3). Эта частота равна 1420 МГц. Можно не сомневаться, что высокоорганизованная цивилизация на определенном (довольно раннем) этапе своего развития должна открыть эту линию в спектре космического радиоизлучения. Исследования Вселенной на волне 21 см являются мощнейшим методом познания ее природы. Именно на этой волне следует ожидать наличия самой чувствительной и совершенной аппаратуры. Кроме того, водород - самый распространенный элемент во Вселенной, а частота 1420 МГц как бы его "основная частота". Логически неизбежен вывод, что язык самой природы должен быть понятен и универсален для всех разумных существ Вселенной, как бы сильно они ни отличались друг от друга. Законы природы объективны и поэтому одинаковы для всех разумных существ. В этом глубокая материалистическая сущность блестящей идеи Коккони и Моррисона.
Нельзя однако, исключить, что частота сигнала будет равна некоторому целому кратному от основной "водородной" частоты. Дело в том, что фон неба на волне 21 см все-таки довольно высок. Ведь на этой волне излучают межзвездные атомы водорода. В направлениях, составляющих сравнительно небольшой угол с галактической плоскостью, яркостная температура неба может достигать 50 и даже 100 °C. Между тем на удвоенной частоте 2840 МГц фон неба меньше 10 К. Кроме того, при связи на расстоянии свыше 3 тыс. световых лет (это для нас пока еще недоступно, но для высокоорганизованной цивилизации может быть вполне реальным) сигнал может сильно поглощаться межзвездными атомами водорода. (В том случае, когда сигнал распространяется под небольшим углом к галактической плоскости.)
# Интересна идея Н. С. Кардашева, предложившего в качестве стандартной волны, на которой должна осуществляться межзвездная радиосвязь, использовать 1,5 мм. Оказывается, что именно в этом диапазоне из всего спектра электромагнитного излучения (от ?-излучения до длинных радиоволн) достигается наименьшее значение яркостной температуры неба. Эквивалентная температура космологического фонового излучения 2,7 К (-270 °C) - основная компонента излучения фона в диапазоне миллиметровых волн. Кроме того, в этом диапазоне находится знаменитая радиолиния сверхлегкого элемента позитрония - атома, образованного рекомбинацией электрона и позитрона. Эта линия и может служить выбранным природой стандартом частоты, около которой целесообразно проводить поиск искусственных радиосигналов. Миллиметровый диапазон - наиболее экономичный диапазон связи на сверхдальние расстояния. Оптимальность достигается при взаимной направленности передающей и принимающей антенн. Кроме того, это та длина волны, на которую приходится максимум реликтового излучения (и минимум галактического радиоизлучения). Для огромной области Метагалактики, где красное смещение еще не слишком велико, эта длина волны действительно должна быть стандартной, поскольку реликтовое излучение как важнейший космический феномен должно быть объектом тщательных исследований всех технологических развитых цивилизаций во Вселенной #.
Теперь мы должны перейти к следующему, довольно важному вопросу. Как распознать искусственную природу сигнала? Прежде всего, следует ожидать, что мощность такого сигнала должна регулярно меняться со временем. Другими словами, сигнал должен быть модулирован. Он может состоять, например, из регулярной последовательности сравнительно коротких импульсов, причем одна последовательность может быть отделена от другой более или менее значительным промежутком времени. Число импульсов в каждой последовательности может, например, изображать натуральный ряд чисел - понятие, по-видимому, общее для всех цивилизаций. В то же время длительность каждого импульса не должна быть слишком малой - иначе нельзя будет использовать при приеме таких сигналов достаточно большого "времени накопления" ?, что нужно для увеличения дальности связи. Можно полагать, что длительность каждого импульса не меньше нескольких часов. Сигнал может содержать сколь угодно сложную информацию. Но на первых порах он, по-видимому, должен быть достаточно простым. (Более подробно о природе сигналов см. гл. 23.) После того как сигнал будет принят (если, конечно, это случится), между цивилизациями будет установлена двусторонняя радиосвязь, и тогда можно начать обмен более сложной информацией. Конечно, не следует при этом забывать, что ответы могут быть получены не раньше, чем через несколько десятков или даже сотен лет... Однако исключительная важность и ценность таких переговоров безусловно должна компенсировать их медленность.
Даже если не удастся по тем или иным причинам установить регулярные изменения мощности сигналов со временем, их искусственный характер довольно скоро выявится при систематических наблюдениях. Дело в том, что лучевая скорость передатчика по отношению к приемнику будет периодически меняться вследствие обращения планеты, на которой находится передатчик, вокруг звезды. Из-за эффекта Доплера это приведет к периодическому изменению частоты сигнала. Орбитальные скорости планет должны быть порядка нескольких десятков километров в секунду. Поэтому амплитуда периодических изменений частоты может достигать сотни килогерц, что в десятки раз больше ширины полосы частот, в которой может находиться сигнал. Период таких изменений должен быть от нескольких месяцев до нескольких лет (вероятные значения периода обращения планеты вокруг звезды). Анализ такого сигнала сразу же позволит получить важную информацию о продолжительности года на далекой планете, посылающей сигнал.
Следует также ожидать периодических изменений частоты сигнала из-за суточного вращения планеты, на которой находится передатчик. Так как скорость вращения планеты вокруг своей оси, скорее всего, меньше ее орбитальной скорости, такие периодические изменения частоты должны иметь сравнительно небольшую амплитуду, не выходящую, например, за пределы полосы частот сигнала. Однако тщательные наблюдения смогут их выявить. Таким образом, станет известной другая важнейшая характеристика посылающей искусственный сигнал планеты - продолжительность суток на ней.
Дополнительный анализ сигналов позволит извлечь из них ряд других важных сведений о природе планеты. Так, например, после того, как удастся отождествить звезду, вокруг которой обращается планета, можно будет по ее спектральному классу довольно уверенно определить ее массу (ведь это же, скорее всего, звезда главной последовательности, см. гл. 2). Зная период обращения планеты (из наблюдений доплеровского смещения сигнала), при помощи третьего закона Кеплера можно найти расстояние между планетой и звездой. Тем самым можно будет сделать грубую оценку физических условий на планете, прежде всего средней температуры ее поверхности.
Зная скорость вращения планеты вокруг ее оси и продолжительность суток на ней, по измеренной амплитуде и периоду "суточных" изменений частоты сигнала можно, очевидно, определить радиус планеты. Более подробный анализ позволит даже определить широту того места планеты, где установлен передатчик, а также, возможно, и другие характеристики. И все эти сведения могут быть получены только из систематических тщательных наблюдений изменений частоты сигнала.
Хотя идея Коккони - Моррисона на первый взгляд кажется совершенно необычной и даже фантастической, приходится только удивляться тому, как быстро она стала реализоваться. В 1960 г. американский радиоастроном Дрэйк на Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин Бэнк (Западная Виргиния) разработал специальную приемную аппаратуру для наблюдений искусственных инопланетных сигналов в диапазоне 21 см. Этот вполне серьезный проект получил название "ОЗМА". На рис. 95 приведена блок-схема приемника Дрэйка.
Мы не можем здесь детально останавливаться на технических подробностях описания этой схемы. Те из читателей, которые разбираются в радиотехнике, поймут ее сами. Мы ограничимся только приближенным рассмотрением. Приемник, схема которого изображена на рис. 95, представляет собой очень стабильно работающий узкополосный (так как ожидаемый сигнал должен быть узкополосным) супергетеродин. В фокусе большой 27-метровой антенны находятся два рупора, схематически изображенных в левом верхнем углу рис. 95. В один из рупоров поступает излучение от небольшой области неба около исследуемой звезды, вокруг которой, как можно ожидать, обращается планета с передатчиком. В другой рупор поступает излучение от соседней области неба, откуда искусственных сигналов ожидать не приходится. Оба рупора при помощи электронного устройства попеременно подключаются к входу приемника. Таким образом, радиотелескоп попеременно как бы "смотрит" то на звезду, то на соседний участок неба. По этой причине "полезный" сигнал периодически прерывается с той частотой, с которой подключаются рупоры ко входу приемника. Следовательно, в цепи приемника сигнал имеет вид коротких импульсов, регулярно повторяющихся с частотой переключения через совершенно определенные промежутки времени. Синхронный детектор, установленный перед выходом приемника, выделяет эту переменную составляющую тока. Такая схема с теми или иными видоизменениями, широко используемая в радиоастрономии, называется "модуляционной". Она позволяет выделить полезный сигнал даже в тех случаях, когда он значительно слабее аппаратурных шумов. Однако сколь угодно слабый сигнал таким способом нельзя обнаружить, так как неизбежные флуктуации показаний регистрирующего прибора накладывают естественное ограничение на величину принимаемого сигнала (см. выше). Но модуляционная схема в ряде случаев позволяет получить чувствительность, близкую к предельно возможной, которая дается формулой
?T = T (? ?f )-1/2 .
Как видно из схемы, приведенной на рис. 95 в приемнике последовательно происходят четыре преобразования частоты сигнала. Это необходимо было сделать потому, что "окончательная" промежуточная частота приемника должна быть низкой, так как ожидаемый сигнал узкополосный. Преобразования частоты осуществляются (как это обычно в супергетеродиновых приемниках) при помощи смесителей. У соответствующих генераторов должна быть очень высокая стабильность частоты. Последняя не должна меняться больше чем на 1 Гц за 100 с. Особенно высокая стабильность требуется от первого генератора, так как его частота очень высока - 1390 МГц.
После четырех усилителей по промежуточной частоте сигнал разветвляется на два, затем проходит через фильтры. Один фильтр широкополосный (в нем содержатся все сигналы), другой узкополосный (в нем сигнал межзвездной связи не ожидается). Эти фильтры и последующая дифференцирующая цепь устроены таким образом, что, когда через них проходит широкополосный сигнал, отклик на выходе сигнала межзвездной связи равен нулю.
Однако если через широкополосный фильтр проходит узкополосный сигнал, то отклик на выходе уже не будет равен нулю. Следовательно, рассматриваемый приемник чувствителен только к узкополосным сигналам. Ширина полосы пропускания узкого фильтра может меняться, причем связанная с этим перестройка приемника занимает мало времени. Как видно из схемы, фильтры стоят перед синхронными детекторами, которые пропускают только частоту переключения 5 Гц.
На выходе среднего синхронного детектора сигнал будет зарегистрирован только в том случае, когда в приемник поступает узкополосный сигнал, левый регистрирует сигналы в полосе сравнения шириной 200 Гц, правый - все сигналы в полосе 1200 Гц. На рис. 96 (не сканировался) приведена фотография некоторых блоков этого приемника, а на рис. 97 (не сканировался) - фотография 27-метрового радиотелескопа, снятая во время наблюдений по проекту "ОЗМА".
В качестве первых объектов, откуда можно ожидать сигналов радиоизлучения искусственного происхождения, Дрэйк выбрал две близкие к нам звезды - ? Эридана и ? Кита, которые удалены от Солнца на расстояние около 11 световых лет. Об этих звездах, как о возможных источниках жизни на обращающихся вокруг них планетах, речь шла в гл. 11. Наблюдения начались осенью 1960 г. и с большой тщательностью проводились в течение нескольких месяцев. Увы, искусственные сигналы обнаружены не были...
Начиная с 1971 г. аналогичные наблюдения проводились на 100- и 45-метровом радиотелескопах Национальной радиоастрономической обсерватории США. Объектами наблюдений были несколько десятков ближайших к нам звезд, преимущественно красных карликов. Из отрицательного результата этих наблюдений следует, что около исследовавшихся звезд не работали передатчики, которые бы в узкой полосе (7 кГц) со 100-метровой антенной излучали бы мощность, превышающую несколько мегаватт. Заметим, что таких передатчиков на Земле много. Надо ясно понимать, что шансы на успех таких наблюдений невелики. По нашему мнению, гораздо более вероятно, что ближайшие цивилизации, если они вообще есть, находятся от нас на значительно большем расстоянии, чем звезды, исследовавшиеся Дрэйком и его последователями.
Если, например, ближайшая такая цивилизация находится на расстоянии 100 световых лет, в высшей степени затруднительно решить, какую из десятка тысяч звезд, удаленных на такое расстояние, нужно тщательно исследовать методом Дрэйка. Исследовать же подряд десятки тысяч звезд представляется слишком сложным и дорогим занятием, по крайней мере сейчас для нашей цивилизации.
Спустя 11 лет после первых попыток установления радиоконтактов с внеземными цивилизациями в рамках проекта "ОЗМА", на Бюраканском симпозиуме выступил с обобщающим по этой проблеме докладом сам автор проекта Дрэйк. Оценивая возможности гигантского радиотелескопа Аресибо (см. рис. 93), он пришел к заключению, что при мощности передатчика P = 1000 кВт, коэффициенте направленности антенны радиотелескопа G = 106, шумовой температуре приемника T = 120°, ширине полосы B = 100 МГц и времени накопления сигнала ? = 100 с сигнал может быть обнаружен от объектов, удаленных от нас на расстояния до 6000 световых лет! Проблема, однако, состоит в том, чтобы знать, хотя бы ориентировочно, класс объектов, от которых можно такой сигнал ожидать. В противном случае задача становится неопределенно трудной.
На этом симпозиуме известный советский радиоастроном В. С. Троицкий доложил о новых попытках найти искусственные радиосигналы от ближайших планетных систем. Это были первые после проекта "ОЗМА" реальные наблюдения возможных сигналов. В. С. Троицкий и его сотрудники, так же как и Дрэйк, искали сигналы на волне 21 см. Ими систематически исследовались 12 звезд, в основном спектрального класса G, удаленных от нас на расстояния 10-60 световых лет. Всего было проведено 65 сеансов (по 5 сеансов на каждую звезду). Длительность каждого сеанса составляла 15 мин. Общее время наблюдений было 16 час. Заметим, что чувствительность приемной аппаратуры была довольно низка около 2 10-22 Вт/(м2 Гц) (такой поток радиоизлучения на метровых волнах дает самый яркий космический источник радиоизлучения - Кассиопея А). Результаты этих наблюдений были отрицательны. В последующие годы В. С. Троицкий провел новые наблюдения со значительно более высокой чувствительностью. Результаты этих наблюдений были также отрицательны.
В США работы по поискам внеземных цивилизаций проводились также по программе "Циклоп". Об этом доложил на Бюраканском симпозиуме проф. Оливер. Для приема ожидаемых сигналов от внеземных цивилизаций использовалась, без особых переделок, наличная радиоприемная техника. Наблюдения, носящие любительский характер, проводились на сантиметровых волнах и не дали положительных результатов. Проф. Оливер, однако, разработал проект гигантского радиотелескопа, специально предназначенного для поиска радиосигналов от внеземных цивилизаций. Стоимость этого проекта достигает миллиардов долларов. Для научного прибора эта величина может показаться фантастически большой. Но не следует забывать, что американское правительство ежегодно расходовало на варварскую войну во Вьетнаме гораздо большие суммы...
Советский радиоастроном Ю. Н. Парийский на Бюраканском симпозиуме предложил другой путь реализации проекта установления радиоконтакта с внеземными цивилизациями. Это - создание "глобального радиотелескопа", сводящееся к объединению всех существующих на Земле крупных радиотелескопов в единую систему. В сочетании с радиотелескопами, вынесенными в космос, мы можем иметь исключительно эффективное устройство для поисков радиосигналов от внеземных цивилизаций.
Таким образом, недостатка в проектах нет... Однако реальных наблюдений проводилось пока очень мало. Да и сами наблюдения не были должным образом обеспечены. Они носили, по существу, "рекогносцировочный" характер. Есть, однако, основания полагать, что в близком будущем положение может коренным образом измениться к лучшему.
# За 25 лет с момента начала исследований было выполнено около 50 наблюдательных работ главным образом в радиодиапазоне. Участвовали Австралия, Нидерланды, Канада, СССР, США, Франция, ФРГ и Япония. Всего было около 120 000 часов наблюдений, из них около 100 000 часов - по специально предназначенным программам. Радиообсерватории Огайского университета и Гарвард-Смитсонианская работают по этой программе 24 часа в сутки. Техника приема и анализа сигналов первоначально была самой примитивной, но постоянно совершенствуется.
Салливан и Ноулесс провели исследование отраженных от Луны радиосигналов Земли с целью установить, каков радиоспектр Земли, если нас наблюдают из далекого космоса. Наблюдения проведены с помощью 300-метровой антенны в Аресибо в диапазоне 150-500 МГц. На рис. 101 показаны спектры Земли в различные моменты по всемирному времени в диапазоне, связанном с наземными телевизионными станциями. В результате этой работы ученые обнаружили самый мощный радар США, работающий на частоте 217 МГц и излучающий импульсы мощностью 14 млрд. ватт в полосе 0,12 Гц. Такие импульсы могут быть обнаружены другой цивилизацией с такой же, как в Аресибо, антенной с расстояния около 20 световых лет. Сильнейшие телевизионные станции могут быть обнаружены с расстояния около 3 световых лет.
Необходимо иметь в виду, что поиск радиосигналов от внеземных цивилизаций - задача с очень многими неизвестными, хотя их количество и небесконечно: положение источника на небе, частота, интенсивность сигнала, полоса, поляризация, модуляция, длительность передач и пауз. Многие ожидают, что искомые сигналы должны быть очень узкополосными, и поэтому для их обнаружения необходимы многоканальные спектроанализаторы (МКСА). В настоящее время в США ведутся наблюдения с МКСА на 65 536 каналах с разрешением 0,03 Гц и заканчивается создание системы на 8,25 миллиона каналов, которая будет установлена на радиотелескопе с диаметром зеркала 64 м Центра дальней космической связи в Голдстоуне. К 1990 г. этот спектроанализатор сможет исследовать любую полосу шириной 8 МГц с разрешением 1 Гц. НАСА предполагает провести к концу этого столетия программы "Обзор неба" (наблюдение всей небесной сферы в диапазоне от 3 до 30 см со спектральным разрешением 32 Гц) и программу "Направленный поиск" (исследование 1000 избранных объектов в диапазоне 18-21 см, так называемое "водяное окно" между линиями гидроксила и атомарного водорода, с разрешением 1 Гц); в программу входят 773 звезды классов F, G и K, похожие на Солнце и находящиеся на расстояниях до 80 световых лет от нас.
В Советском Союзе программа поиска связывается с сооружением в горном районе Узбекистана крупнейшего радиотелескопа с зеркалом диаметром 70 м, работающего как раз в оптимальном для поиска диапазоне миллиметровых радиоволн.
На рис. 102 (не сканировался) приведено фото макета радиотелескопа. С помощью этого инструмента предполагается провести программу направленного поиска и исследования подозреваемых объектов. Напомним, что миллиметровый диапазон является оптимальным как для поиска радиосигналов искусственного происхождения, так и для обнаружения огромных астроинженерных конструкций, находящихся при очень низкой температуре. #
Пока сделаны только первые шаги в направлении "подслушиваний" межзвездных переговоров. Может быть, недалеко то время, когда мы начнем "возвещать" о своем существовании путем посылки радиосигнала в космосе.
21. Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами.
В предыдущей главе мы довольно подробно обсуждали возможности радиосвязи между инопланетными цивилизациями. Является ли, однако, радиосвязь единственно возможным видом связи на межзвездных расстояниях? Несомненно, радиоволны для такой задачи обладают рядом ценных преимуществ. Основные преимущества сравнительно малая мощность передатчика, посылающего сигналы на расстояния в десятки световых лет и дальше, возможность легко отделить искусственный сигнал от теплового радиоизлучения звезды и высокая разрешающая способность по частоте у приемной аппаратуры. Последнее свойство после детального изучения сигнала позволяет получить ряд важных сведений об излучающей его планетной системе, а также информацию о разумных существах, ее населяющих.
Несмотря на все очевидные преимущества радиосвязи между удаленными на межзвездные расстояния цивилизациями, необходимо все же обсудить другие возможные типы связи. В первую очередь мы рассмотрим интересный вопрос о возможности такой связи на очень высоких частотах оптического и примыкающих к нему диапазонов.
Казалось бы, посылка от одной планеты к другой по возможности узкого светового пучка - очевидное, принципиально простое, средство связи. Однако на пути осуществления такого "межзвездного прожектора" встречаются очень большие трудности. Дело в том, что прожекторы обычного типа, даже самые совершенные, посылают не параллельный пучок света, а слегка расходящийся, что объясняется невозможностью создать точечный источник света в фокусе. Вот в этом-то "слегка" и заложена вся трудность проблемы. Если на обычных, "земных" расстояниях расхождение пучка из-за его непараллельности сравнительно невелико, то на межпланетных, не говоря уже о межзвездных, расстояниях оно становится уже недопустимым. Пусть, например, угол раствора конуса, в котором сосредоточен поток излучения, посылаемый прожектором, равен 30 мин. дуги, как у лучших из современных прожекторов. Тогда на расстоянии 50 км диаметр сечения луча прожектора будет около 450 м и поток энергии через единицу поверхности (определяющий освещенность предмета, на который направлен прожектор) будет еще достаточно велик. Например, если мощность излучения прожектора равна 10 кВт, поток энергии через 1 см2 на расстоянии 50 км от нашего прожектора будет 5 10-6 Вт. Хотя эта величина в несколько десятков тысяч раз меньше потока солнечного излучения, в ночных условиях предмет будет освещен и вполне заметен.
На рис. 94 приведена типичная запись регистрирующего прибора, показывающая такие флуктуации. Существует формула, дающая "среднее квадратичное" значение таких флуктуации в зависимости от некоторых характеристик приемника. Эта формула имеет вид:
?T / T = 1 / sqr (? ?f ), или
?T / T = 1 / v (? ?f )
где T - измеряемая "температура шумов" (пропорциональная "поглощенной" антенной мощности космического радиоизлучения плюс мощности шумов, возникающих в приемной аппаратуре),
?T - флуктуации измеряемой "шумовой" температуры, о которых речь шла выше,
? - время, в течение которого регистрирующий прибор на выходе приемника (осциллограф) "накапливает" поступающую в него после детектирования мощность,
?f - ширина полосы частот, усиливаемых приемником ("ширина полосы пропускания приемника"),
sqr - математический оператор - "корень квадратный".
Условие обнаружения какого-нибудь слабого сигнала состоит в том, что антенная температура, обусловленная этим сигналом, должна быть не меньше, чем флуктуации ?T. Запишем это условие:
TA ? ?T = T / sqr (? ?f), или
TA ? ?T = T / v (? ?f)
Для волн сантиметрового диапазона яркостная температура неба около 10 К. Между тем температура собственных шумов современных приемников на этом диапазоне может быть 50-100 °C (если пользоваться квантовыми усилителями). Поэтому уровень, вокруг которого происходят флуктуации, определяется только шумами аппаратуры и "шумовую" температуру в написанных выше формулах можно положить равной T = 50 °C. Теперь перепишем наше неравенство:
1/k W/R2 ?2/16 d12d22 / ?2 ? T (? ?f)-1/2
откуда
R ? W1/2 / k1/2 ? /4 d1d2 /? (? ?f)1/4/ T 1/2 .
Последняя формула позволяет определить дальность межзвездной радиосвязи в зависимости от мощности передатчика, размеров передающих антенн и характеристик приемника. Пусть d1= d1= 100 м, ? = 100 с, ?f = 104 Гц. Какой должна был мощность передатчика, чтобы осуществить связь на расстоянии 10 пк или 32 световых года? Из нашей формулы после несложных вычислений следует, что необходимая мощность передатчика должна быть равна 10 кВт - величина с точки зрения современной радиотехники очень скромная. По астрономическим понятиям эта мощность совершенно ничтожна. Например, мощность радиоизлучения спокойного Солнца на дециметровом диапазоне порядка 109 кВт. Между тем нет никакой надежды обнаружить его излучение с расстояния ближайшей звезды. Это объясняется тем, что Солнце излучает одинаково сильно по всем направлениям (изотропно) и в широкой спектральной области, тогда как пучок радиоволн искусственного происхождения достаточно узок и монохроматичен.
Выше было показано, что наиболее целесообразно осуществлять межзвездную радиосвязь на частотах в интервале 1-10 тыс. МГц. Однако этот интервал все-таки очень широк, и при узкой полосе частот сигнала последний почти невозможно будет обнаружить, если заранее не знать его частоту более точно. Коккони и Моррисон предложили очень изящную идею, указав частоту, на которой искусственные сигналы следует искать в первую очередь. Дело в том, что сама природа дает стандартный эталон частоты, который находится в интересующем нас диапазоне. Речь идет о частоте радиолинии водорода 21 см (см. гл. 3). Эта частота равна 1420 МГц. Можно не сомневаться, что высокоорганизованная цивилизация на определенном (довольно раннем) этапе своего развития должна открыть эту линию в спектре космического радиоизлучения. Исследования Вселенной на волне 21 см являются мощнейшим методом познания ее природы. Именно на этой волне следует ожидать наличия самой чувствительной и совершенной аппаратуры. Кроме того, водород - самый распространенный элемент во Вселенной, а частота 1420 МГц как бы его "основная частота". Логически неизбежен вывод, что язык самой природы должен быть понятен и универсален для всех разумных существ Вселенной, как бы сильно они ни отличались друг от друга. Законы природы объективны и поэтому одинаковы для всех разумных существ. В этом глубокая материалистическая сущность блестящей идеи Коккони и Моррисона.
Нельзя однако, исключить, что частота сигнала будет равна некоторому целому кратному от основной "водородной" частоты. Дело в том, что фон неба на волне 21 см все-таки довольно высок. Ведь на этой волне излучают межзвездные атомы водорода. В направлениях, составляющих сравнительно небольшой угол с галактической плоскостью, яркостная температура неба может достигать 50 и даже 100 °C. Между тем на удвоенной частоте 2840 МГц фон неба меньше 10 К. Кроме того, при связи на расстоянии свыше 3 тыс. световых лет (это для нас пока еще недоступно, но для высокоорганизованной цивилизации может быть вполне реальным) сигнал может сильно поглощаться межзвездными атомами водорода. (В том случае, когда сигнал распространяется под небольшим углом к галактической плоскости.)
# Интересна идея Н. С. Кардашева, предложившего в качестве стандартной волны, на которой должна осуществляться межзвездная радиосвязь, использовать 1,5 мм. Оказывается, что именно в этом диапазоне из всего спектра электромагнитного излучения (от ?-излучения до длинных радиоволн) достигается наименьшее значение яркостной температуры неба. Эквивалентная температура космологического фонового излучения 2,7 К (-270 °C) - основная компонента излучения фона в диапазоне миллиметровых волн. Кроме того, в этом диапазоне находится знаменитая радиолиния сверхлегкого элемента позитрония - атома, образованного рекомбинацией электрона и позитрона. Эта линия и может служить выбранным природой стандартом частоты, около которой целесообразно проводить поиск искусственных радиосигналов. Миллиметровый диапазон - наиболее экономичный диапазон связи на сверхдальние расстояния. Оптимальность достигается при взаимной направленности передающей и принимающей антенн. Кроме того, это та длина волны, на которую приходится максимум реликтового излучения (и минимум галактического радиоизлучения). Для огромной области Метагалактики, где красное смещение еще не слишком велико, эта длина волны действительно должна быть стандартной, поскольку реликтовое излучение как важнейший космический феномен должно быть объектом тщательных исследований всех технологических развитых цивилизаций во Вселенной #.
Теперь мы должны перейти к следующему, довольно важному вопросу. Как распознать искусственную природу сигнала? Прежде всего, следует ожидать, что мощность такого сигнала должна регулярно меняться со временем. Другими словами, сигнал должен быть модулирован. Он может состоять, например, из регулярной последовательности сравнительно коротких импульсов, причем одна последовательность может быть отделена от другой более или менее значительным промежутком времени. Число импульсов в каждой последовательности может, например, изображать натуральный ряд чисел - понятие, по-видимому, общее для всех цивилизаций. В то же время длительность каждого импульса не должна быть слишком малой - иначе нельзя будет использовать при приеме таких сигналов достаточно большого "времени накопления" ?, что нужно для увеличения дальности связи. Можно полагать, что длительность каждого импульса не меньше нескольких часов. Сигнал может содержать сколь угодно сложную информацию. Но на первых порах он, по-видимому, должен быть достаточно простым. (Более подробно о природе сигналов см. гл. 23.) После того как сигнал будет принят (если, конечно, это случится), между цивилизациями будет установлена двусторонняя радиосвязь, и тогда можно начать обмен более сложной информацией. Конечно, не следует при этом забывать, что ответы могут быть получены не раньше, чем через несколько десятков или даже сотен лет... Однако исключительная важность и ценность таких переговоров безусловно должна компенсировать их медленность.
Даже если не удастся по тем или иным причинам установить регулярные изменения мощности сигналов со временем, их искусственный характер довольно скоро выявится при систематических наблюдениях. Дело в том, что лучевая скорость передатчика по отношению к приемнику будет периодически меняться вследствие обращения планеты, на которой находится передатчик, вокруг звезды. Из-за эффекта Доплера это приведет к периодическому изменению частоты сигнала. Орбитальные скорости планет должны быть порядка нескольких десятков километров в секунду. Поэтому амплитуда периодических изменений частоты может достигать сотни килогерц, что в десятки раз больше ширины полосы частот, в которой может находиться сигнал. Период таких изменений должен быть от нескольких месяцев до нескольких лет (вероятные значения периода обращения планеты вокруг звезды). Анализ такого сигнала сразу же позволит получить важную информацию о продолжительности года на далекой планете, посылающей сигнал.
Следует также ожидать периодических изменений частоты сигнала из-за суточного вращения планеты, на которой находится передатчик. Так как скорость вращения планеты вокруг своей оси, скорее всего, меньше ее орбитальной скорости, такие периодические изменения частоты должны иметь сравнительно небольшую амплитуду, не выходящую, например, за пределы полосы частот сигнала. Однако тщательные наблюдения смогут их выявить. Таким образом, станет известной другая важнейшая характеристика посылающей искусственный сигнал планеты - продолжительность суток на ней.
Дополнительный анализ сигналов позволит извлечь из них ряд других важных сведений о природе планеты. Так, например, после того, как удастся отождествить звезду, вокруг которой обращается планета, можно будет по ее спектральному классу довольно уверенно определить ее массу (ведь это же, скорее всего, звезда главной последовательности, см. гл. 2). Зная период обращения планеты (из наблюдений доплеровского смещения сигнала), при помощи третьего закона Кеплера можно найти расстояние между планетой и звездой. Тем самым можно будет сделать грубую оценку физических условий на планете, прежде всего средней температуры ее поверхности.
Зная скорость вращения планеты вокруг ее оси и продолжительность суток на ней, по измеренной амплитуде и периоду "суточных" изменений частоты сигнала можно, очевидно, определить радиус планеты. Более подробный анализ позволит даже определить широту того места планеты, где установлен передатчик, а также, возможно, и другие характеристики. И все эти сведения могут быть получены только из систематических тщательных наблюдений изменений частоты сигнала.
Хотя идея Коккони - Моррисона на первый взгляд кажется совершенно необычной и даже фантастической, приходится только удивляться тому, как быстро она стала реализоваться. В 1960 г. американский радиоастроном Дрэйк на Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин Бэнк (Западная Виргиния) разработал специальную приемную аппаратуру для наблюдений искусственных инопланетных сигналов в диапазоне 21 см. Этот вполне серьезный проект получил название "ОЗМА". На рис. 95 приведена блок-схема приемника Дрэйка.
Мы не можем здесь детально останавливаться на технических подробностях описания этой схемы. Те из читателей, которые разбираются в радиотехнике, поймут ее сами. Мы ограничимся только приближенным рассмотрением. Приемник, схема которого изображена на рис. 95, представляет собой очень стабильно работающий узкополосный (так как ожидаемый сигнал должен быть узкополосным) супергетеродин. В фокусе большой 27-метровой антенны находятся два рупора, схематически изображенных в левом верхнем углу рис. 95. В один из рупоров поступает излучение от небольшой области неба около исследуемой звезды, вокруг которой, как можно ожидать, обращается планета с передатчиком. В другой рупор поступает излучение от соседней области неба, откуда искусственных сигналов ожидать не приходится. Оба рупора при помощи электронного устройства попеременно подключаются к входу приемника. Таким образом, радиотелескоп попеременно как бы "смотрит" то на звезду, то на соседний участок неба. По этой причине "полезный" сигнал периодически прерывается с той частотой, с которой подключаются рупоры ко входу приемника. Следовательно, в цепи приемника сигнал имеет вид коротких импульсов, регулярно повторяющихся с частотой переключения через совершенно определенные промежутки времени. Синхронный детектор, установленный перед выходом приемника, выделяет эту переменную составляющую тока. Такая схема с теми или иными видоизменениями, широко используемая в радиоастрономии, называется "модуляционной". Она позволяет выделить полезный сигнал даже в тех случаях, когда он значительно слабее аппаратурных шумов. Однако сколь угодно слабый сигнал таким способом нельзя обнаружить, так как неизбежные флуктуации показаний регистрирующего прибора накладывают естественное ограничение на величину принимаемого сигнала (см. выше). Но модуляционная схема в ряде случаев позволяет получить чувствительность, близкую к предельно возможной, которая дается формулой
?T = T (? ?f )-1/2 .
Как видно из схемы, приведенной на рис. 95 в приемнике последовательно происходят четыре преобразования частоты сигнала. Это необходимо было сделать потому, что "окончательная" промежуточная частота приемника должна быть низкой, так как ожидаемый сигнал узкополосный. Преобразования частоты осуществляются (как это обычно в супергетеродиновых приемниках) при помощи смесителей. У соответствующих генераторов должна быть очень высокая стабильность частоты. Последняя не должна меняться больше чем на 1 Гц за 100 с. Особенно высокая стабильность требуется от первого генератора, так как его частота очень высока - 1390 МГц.
После четырех усилителей по промежуточной частоте сигнал разветвляется на два, затем проходит через фильтры. Один фильтр широкополосный (в нем содержатся все сигналы), другой узкополосный (в нем сигнал межзвездной связи не ожидается). Эти фильтры и последующая дифференцирующая цепь устроены таким образом, что, когда через них проходит широкополосный сигнал, отклик на выходе сигнала межзвездной связи равен нулю.
Однако если через широкополосный фильтр проходит узкополосный сигнал, то отклик на выходе уже не будет равен нулю. Следовательно, рассматриваемый приемник чувствителен только к узкополосным сигналам. Ширина полосы пропускания узкого фильтра может меняться, причем связанная с этим перестройка приемника занимает мало времени. Как видно из схемы, фильтры стоят перед синхронными детекторами, которые пропускают только частоту переключения 5 Гц.
На выходе среднего синхронного детектора сигнал будет зарегистрирован только в том случае, когда в приемник поступает узкополосный сигнал, левый регистрирует сигналы в полосе сравнения шириной 200 Гц, правый - все сигналы в полосе 1200 Гц. На рис. 96 (не сканировался) приведена фотография некоторых блоков этого приемника, а на рис. 97 (не сканировался) - фотография 27-метрового радиотелескопа, снятая во время наблюдений по проекту "ОЗМА".
В качестве первых объектов, откуда можно ожидать сигналов радиоизлучения искусственного происхождения, Дрэйк выбрал две близкие к нам звезды - ? Эридана и ? Кита, которые удалены от Солнца на расстояние около 11 световых лет. Об этих звездах, как о возможных источниках жизни на обращающихся вокруг них планетах, речь шла в гл. 11. Наблюдения начались осенью 1960 г. и с большой тщательностью проводились в течение нескольких месяцев. Увы, искусственные сигналы обнаружены не были...
Начиная с 1971 г. аналогичные наблюдения проводились на 100- и 45-метровом радиотелескопах Национальной радиоастрономической обсерватории США. Объектами наблюдений были несколько десятков ближайших к нам звезд, преимущественно красных карликов. Из отрицательного результата этих наблюдений следует, что около исследовавшихся звезд не работали передатчики, которые бы в узкой полосе (7 кГц) со 100-метровой антенной излучали бы мощность, превышающую несколько мегаватт. Заметим, что таких передатчиков на Земле много. Надо ясно понимать, что шансы на успех таких наблюдений невелики. По нашему мнению, гораздо более вероятно, что ближайшие цивилизации, если они вообще есть, находятся от нас на значительно большем расстоянии, чем звезды, исследовавшиеся Дрэйком и его последователями.
Если, например, ближайшая такая цивилизация находится на расстоянии 100 световых лет, в высшей степени затруднительно решить, какую из десятка тысяч звезд, удаленных на такое расстояние, нужно тщательно исследовать методом Дрэйка. Исследовать же подряд десятки тысяч звезд представляется слишком сложным и дорогим занятием, по крайней мере сейчас для нашей цивилизации.
Спустя 11 лет после первых попыток установления радиоконтактов с внеземными цивилизациями в рамках проекта "ОЗМА", на Бюраканском симпозиуме выступил с обобщающим по этой проблеме докладом сам автор проекта Дрэйк. Оценивая возможности гигантского радиотелескопа Аресибо (см. рис. 93), он пришел к заключению, что при мощности передатчика P = 1000 кВт, коэффициенте направленности антенны радиотелескопа G = 106, шумовой температуре приемника T = 120°, ширине полосы B = 100 МГц и времени накопления сигнала ? = 100 с сигнал может быть обнаружен от объектов, удаленных от нас на расстояния до 6000 световых лет! Проблема, однако, состоит в том, чтобы знать, хотя бы ориентировочно, класс объектов, от которых можно такой сигнал ожидать. В противном случае задача становится неопределенно трудной.
На этом симпозиуме известный советский радиоастроном В. С. Троицкий доложил о новых попытках найти искусственные радиосигналы от ближайших планетных систем. Это были первые после проекта "ОЗМА" реальные наблюдения возможных сигналов. В. С. Троицкий и его сотрудники, так же как и Дрэйк, искали сигналы на волне 21 см. Ими систематически исследовались 12 звезд, в основном спектрального класса G, удаленных от нас на расстояния 10-60 световых лет. Всего было проведено 65 сеансов (по 5 сеансов на каждую звезду). Длительность каждого сеанса составляла 15 мин. Общее время наблюдений было 16 час. Заметим, что чувствительность приемной аппаратуры была довольно низка около 2 10-22 Вт/(м2 Гц) (такой поток радиоизлучения на метровых волнах дает самый яркий космический источник радиоизлучения - Кассиопея А). Результаты этих наблюдений были отрицательны. В последующие годы В. С. Троицкий провел новые наблюдения со значительно более высокой чувствительностью. Результаты этих наблюдений были также отрицательны.
В США работы по поискам внеземных цивилизаций проводились также по программе "Циклоп". Об этом доложил на Бюраканском симпозиуме проф. Оливер. Для приема ожидаемых сигналов от внеземных цивилизаций использовалась, без особых переделок, наличная радиоприемная техника. Наблюдения, носящие любительский характер, проводились на сантиметровых волнах и не дали положительных результатов. Проф. Оливер, однако, разработал проект гигантского радиотелескопа, специально предназначенного для поиска радиосигналов от внеземных цивилизаций. Стоимость этого проекта достигает миллиардов долларов. Для научного прибора эта величина может показаться фантастически большой. Но не следует забывать, что американское правительство ежегодно расходовало на варварскую войну во Вьетнаме гораздо большие суммы...
Советский радиоастроном Ю. Н. Парийский на Бюраканском симпозиуме предложил другой путь реализации проекта установления радиоконтакта с внеземными цивилизациями. Это - создание "глобального радиотелескопа", сводящееся к объединению всех существующих на Земле крупных радиотелескопов в единую систему. В сочетании с радиотелескопами, вынесенными в космос, мы можем иметь исключительно эффективное устройство для поисков радиосигналов от внеземных цивилизаций.
Таким образом, недостатка в проектах нет... Однако реальных наблюдений проводилось пока очень мало. Да и сами наблюдения не были должным образом обеспечены. Они носили, по существу, "рекогносцировочный" характер. Есть, однако, основания полагать, что в близком будущем положение может коренным образом измениться к лучшему.
# За 25 лет с момента начала исследований было выполнено около 50 наблюдательных работ главным образом в радиодиапазоне. Участвовали Австралия, Нидерланды, Канада, СССР, США, Франция, ФРГ и Япония. Всего было около 120 000 часов наблюдений, из них около 100 000 часов - по специально предназначенным программам. Радиообсерватории Огайского университета и Гарвард-Смитсонианская работают по этой программе 24 часа в сутки. Техника приема и анализа сигналов первоначально была самой примитивной, но постоянно совершенствуется.
Салливан и Ноулесс провели исследование отраженных от Луны радиосигналов Земли с целью установить, каков радиоспектр Земли, если нас наблюдают из далекого космоса. Наблюдения проведены с помощью 300-метровой антенны в Аресибо в диапазоне 150-500 МГц. На рис. 101 показаны спектры Земли в различные моменты по всемирному времени в диапазоне, связанном с наземными телевизионными станциями. В результате этой работы ученые обнаружили самый мощный радар США, работающий на частоте 217 МГц и излучающий импульсы мощностью 14 млрд. ватт в полосе 0,12 Гц. Такие импульсы могут быть обнаружены другой цивилизацией с такой же, как в Аресибо, антенной с расстояния около 20 световых лет. Сильнейшие телевизионные станции могут быть обнаружены с расстояния около 3 световых лет.
Необходимо иметь в виду, что поиск радиосигналов от внеземных цивилизаций - задача с очень многими неизвестными, хотя их количество и небесконечно: положение источника на небе, частота, интенсивность сигнала, полоса, поляризация, модуляция, длительность передач и пауз. Многие ожидают, что искомые сигналы должны быть очень узкополосными, и поэтому для их обнаружения необходимы многоканальные спектроанализаторы (МКСА). В настоящее время в США ведутся наблюдения с МКСА на 65 536 каналах с разрешением 0,03 Гц и заканчивается создание системы на 8,25 миллиона каналов, которая будет установлена на радиотелескопе с диаметром зеркала 64 м Центра дальней космической связи в Голдстоуне. К 1990 г. этот спектроанализатор сможет исследовать любую полосу шириной 8 МГц с разрешением 1 Гц. НАСА предполагает провести к концу этого столетия программы "Обзор неба" (наблюдение всей небесной сферы в диапазоне от 3 до 30 см со спектральным разрешением 32 Гц) и программу "Направленный поиск" (исследование 1000 избранных объектов в диапазоне 18-21 см, так называемое "водяное окно" между линиями гидроксила и атомарного водорода, с разрешением 1 Гц); в программу входят 773 звезды классов F, G и K, похожие на Солнце и находящиеся на расстояниях до 80 световых лет от нас.
В Советском Союзе программа поиска связывается с сооружением в горном районе Узбекистана крупнейшего радиотелескопа с зеркалом диаметром 70 м, работающего как раз в оптимальном для поиска диапазоне миллиметровых радиоволн.
На рис. 102 (не сканировался) приведено фото макета радиотелескопа. С помощью этого инструмента предполагается провести программу направленного поиска и исследования подозреваемых объектов. Напомним, что миллиметровый диапазон является оптимальным как для поиска радиосигналов искусственного происхождения, так и для обнаружения огромных астроинженерных конструкций, находящихся при очень низкой температуре. #
Пока сделаны только первые шаги в направлении "подслушиваний" межзвездных переговоров. Может быть, недалеко то время, когда мы начнем "возвещать" о своем существовании путем посылки радиосигнала в космосе.
21. Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами.
В предыдущей главе мы довольно подробно обсуждали возможности радиосвязи между инопланетными цивилизациями. Является ли, однако, радиосвязь единственно возможным видом связи на межзвездных расстояниях? Несомненно, радиоволны для такой задачи обладают рядом ценных преимуществ. Основные преимущества сравнительно малая мощность передатчика, посылающего сигналы на расстояния в десятки световых лет и дальше, возможность легко отделить искусственный сигнал от теплового радиоизлучения звезды и высокая разрешающая способность по частоте у приемной аппаратуры. Последнее свойство после детального изучения сигнала позволяет получить ряд важных сведений об излучающей его планетной системе, а также информацию о разумных существах, ее населяющих.
Несмотря на все очевидные преимущества радиосвязи между удаленными на межзвездные расстояния цивилизациями, необходимо все же обсудить другие возможные типы связи. В первую очередь мы рассмотрим интересный вопрос о возможности такой связи на очень высоких частотах оптического и примыкающих к нему диапазонов.
Казалось бы, посылка от одной планеты к другой по возможности узкого светового пучка - очевидное, принципиально простое, средство связи. Однако на пути осуществления такого "межзвездного прожектора" встречаются очень большие трудности. Дело в том, что прожекторы обычного типа, даже самые совершенные, посылают не параллельный пучок света, а слегка расходящийся, что объясняется невозможностью создать точечный источник света в фокусе. Вот в этом-то "слегка" и заложена вся трудность проблемы. Если на обычных, "земных" расстояниях расхождение пучка из-за его непараллельности сравнительно невелико, то на межпланетных, не говоря уже о межзвездных, расстояниях оно становится уже недопустимым. Пусть, например, угол раствора конуса, в котором сосредоточен поток излучения, посылаемый прожектором, равен 30 мин. дуги, как у лучших из современных прожекторов. Тогда на расстоянии 50 км диаметр сечения луча прожектора будет около 450 м и поток энергии через единицу поверхности (определяющий освещенность предмета, на который направлен прожектор) будет еще достаточно велик. Например, если мощность излучения прожектора равна 10 кВт, поток энергии через 1 см2 на расстоянии 50 км от нашего прожектора будет 5 10-6 Вт. Хотя эта величина в несколько десятков тысяч раз меньше потока солнечного излучения, в ночных условиях предмет будет освещен и вполне заметен.