ЦИВИЛИЗАЦИЯ И ПРОБЛЕМА ПЕРЕДАЧИ ПОЗЫВНЫХ

        Как известно, пришельцефилы и инопланетоманы одним из основных методов поиска внеземных цивилизаций считают поиск сигналов передаваемых ими, а также посылку сигналов с Земли. Этому вопросу посвящена эта статья. Это даже не статья, а публикация выдержки из доклада академика В.С.Троицкого на семинаре по проблеме CETI, который проходил еще аж в 1975 году. Почитайте её, а внизу я выскажу и свои соображения по этому поводу.

Как известно, существуют два пути посылки сигналов с целью обратить внимание других цивилизаций на свое существование. Первый - это посылка направленных к определенным звездам сигналов, второй - посылка всенаправленного сигнала. Очевидно, что второй путь в принципе дает существенно большую вероятность для обнаружения. Рассмотрим возможность и условия создания такого всенаправленного радиомаяка, который обеспечивал бы максимальную вероятность его обнаружения и максимальную, но простую искусственность. Для этого сигнал должен быть строго монохроматичным, что в естественных условиях не наблюдается, а является лишь созданием разума. 

Для передачи и приема должна быть выбрана волна 21 см, как известная всем цивилизациям. К настоящему времени накоплен определенный опыт поиска сигналов внеземных цивилизаций. Однако все цивилизации хорошо понимают, что из-за относительных движений передатчика и приемника частота приема будет смещена от точного значения на величину, пропорциональную относительной скорости. Значение последней в каждом индивидуальном случае неизвестно, однако почти все они заключены в интервале ±200 км/с. Это дает неопределенность частоты в полосе ±1 МГц около частоты 1420 МГц. Поэтому требуется применение приемника с полосой пропускания Df = 2 МГц, что значительно ухудшает чувствительность по сравнению со случаем более точно известной частоты. В связи с этим для улучшения чувствительности мы обязаны применить усреднение, т. е. иметь обычный радиометр, используемый в радиоастрономии. Примем время усреднения 1 с. Шумовая температура приемника, равная Т = 20 К, не является рекордной, но довольно мала и может быть обеспечена неохлаждаемой параметрикой. Эти параметры радиометра дают минимальную обнаружимую мощность сигнала на входе, равную Вт.

 Мы примем самую простую антенну всенаправленного приема - диполь, широко распространенный в обычных приемниках на Земле. Величина обнаруживаемого потока излучения при приеме на диполь равна

  , где  — площадь приема антенны. Отсюда при  м²,

   Вт/м².

Этот поток примерно равен потоку радиоизлучения на Земле от Солнца в той же полосе 2 МГц и на порядок больше потока от источника Кассиопея А.

Нетрудно подсчитать, что для создания потока S_i на расстоянии l св. лет при всепаправленной передаче необходимо излучить мощность  Вт.

Для обнаружения сигнала в радиусе l = 3´10⁴ св. лет при S_i = 10^-16 Вт/м² потребуется мощность Р = 3´10²⁶ Вт, порядка мощности светового излучения Солнца! Получение столь большой мощности СВЧ-колебаний хотя и сомнительно, но в принципе возможно при освоении термоядерной энергии и методов ее экономичного преобразования в СВЧ-энергию, но колоссальность необходимых для этого усилий очевидна.

Очевидно, что для излучения большой мощности антенная система должна быть достаточно большой и в то же время обеспечивать сферическую волну. Большие размеры антенны совершенно необходимы, чтобы рассеять мощность потерь в ней, которая приводит к нагреванию. Это принципиальное положение, из которого следует, что антенная система должна состоять из отдельных антенн, расположенных, например, на сфере. При этом изотропное излучение можно обеспечить двумя способами: располагая точечные всенаправленные излучатели по сфере и обеспечивая когерентное сложение колебаний в пространстве или помещая достаточно большие антенны, каждая из которых облучает определенный сектор пространства соответственно диаграмме направленности. Таким образом, перекрывается все пространство. В первом случае необходимо обеспечить строгую когерентность и синфазность излучения источников, во втором фазирование, вообще говоря, не является необходимым. При осуществлении антенны по первому способу предвидится тот недостаток, что при вращении сферы относительно звезд спектр сигнала, наблюдаемый на этих звездах, будет размыт, так как излучение в заданном направлении будет содержать компоненты от излучателей, движущихся к наблюдателю и от него, давая соответствующие допплеровские смещения частоты. Ширина спектра будет , где W — угловая скорость вращения, R — радиус передающей сферической антенны. Нетрудно рассчитать и форму спектра. В случае сферы, покрытой остронаправленными антеннами, излучение на приемник будет идти от антенны в узком конусе диаграмм шириной Dj и уширение составит .

Например, при скорости вращения 1 об/сут при R = 5´10⁶ м  Df₁ = 1400 Гц, Df₂ = 15 Гц при Dj =1°.

Таким образом, для сохранения максимальной монохроматичности нужно, чтобы антенна передатчика практически не вращалась по отношению к звездам.

Оценим необходимые размеры сферической антенной системы для мощности излучения в 10²⁶ Вт. В общем случае размеры будут определяться тем, какую мощность, перешедшую в тепло, нужно удалить из антенны. Легко видеть, что такую антенну нельзя устанавливать на Земле из-за поглощения волн в атмосфере Земли. Хотя поглощение на волне 21 см ничтожно мало - не более 0,02 - оно приведет к рассеянию в атмосфере Земли около 10²⁴ Вт, что в миллионы раз превышает полную мощность, поглощаемую Землей от Солнца.

В силу сказанного антенна вместе с генераторами должна быть помещена в космосе па значительном удалении от Земли. Это означает, что ее охлаждение осуществляется только через излучение. Поэтому в тепловом контакте с антеннами должны быть предусмотрены радиаторы - абсолютно черные тела для волн инфракрасного диапазона, поскольку нагрев антенны и радиаторов не должен превышать, скажем, 300 К.

Пусть R - радиус сферы антенны, T_а - установившаяся температура антенной системы, b - доля поверхности сферы, покрытая радиаторами, h - общий КПД передающей системы, слагающийся из КПД антенны и КПД генератора. Тогда на основании сказанного можем записать

  .

Для определения R и T_а используем соотношение, связывающее энергию излучения Солнца с его температурой T_¤ и радиу­сом R_¤ : 4p R_¤sT⁴_¤  =P_¤.  Отсюда находим

  _¤ = R_¤

Несколько неясной здесь является величина потерь (1 - h). Если полагать, что все преобразование энергии от термоядерной до СВЧ происходит без потерь, то (1 - h) будут потерями в антенне. Эти потери даже при очень хорошем качестве антенны будут не менее 1%. Мы положим (1 - h) =10^-2, чем заведомо снижаем оценку величины R. Положим, что нагрев должен быть не более 600 К и b»1, тогда для излучения указанной выше мощности, которая обеспечивает сигнал, обнаруживаемый на диполь на расстоянии до 3´10⁴ св. лет, необходима антенна радиусом  R »6R_¥ .

Таким образом, радиус сферической системы даже при таких нереально благоприятных условиях в смысле КПД должен быть в 6 раз больше радиуса Солнца, т. е. составлять около 0,1 а. е.

Очевидно, что такое сооружение должно быть помещено достаточно далеко от места обитания цивилизации, во всяком случае, на порядок дальше, чем собственная звезда, иначе ареал обитания получит дополнительное облучение па волне 21 см, сравнимое по мощности с облучением световым потоком от своей звезды. Для Солнечной системы это означало бы необходимость помещения маяка за орбитой Юпитера. Возможность построения такой системы даже для самой развитой внеземной цивилизации очень и очень сомнительна.

Приведенный расчет имеет прямое отношение к пониманию того, насколько правомерно ожидать «космическое чудо», если даже некоторые цивилизации в нашей Галактике достигли самого высокого уровня развития. Действительно, «космическое чудо» предполагает прежде всего большой энергетический уровень соответствующего явления, соизмеримый с энергией звезды. Мы видим, насколько трудно создать такое чудо, во всяком случае самопроизвольно оно не может появиться. Передача и прием монохроматического сигнала были бы «чудом», однако, как мы видим, его энергетический уровень не может быть таким, чтобы быть обнаруженным на простой диполь. Из приведенного расчета очевидна необходимость искать оптимальные условия обнаружения сигналов не отдельно по приемной и передающей стороне, а исходя из системного подхода создания линии передатчик-приемник. Проведенный расчет передатчика маяка показывает, что для современной техники значительно проще, экономичнее, доступнее совершенствовать приемную систему, делать ее более чувствительной, чем компенсировать недостатки приемной системы увеличением мощности передатчика. Действительно, всенаправленный маяк должен строиться вне пределов среды обитания, а это требует очень развитого космического транспорта и больших затрат материальных ресурсов. Между тем построение даже весьма чувствительной приемной системы, вообще говоря, не требует выноса ее за пределы среды обитания, что уже на много порядков снижает расходы и трудность. В силу сказанного следует принять следующую тактику поиска: строить всенаправленную антенну с максимально возможной эффективной площадью приема и многоканальной приемной аппаратурой. Приемная система должна быть достаточно чувствительной, чтобы обнаружить сигнал в полосе неопределенности частоты из-за допплер-эффекта.

Посмотрим теперь, как реально можно уменьшить мощность передачи и, следовательно, избежать гигантских размеров антенной системы передатчика. Для этого на приемной стороне нужно применять антенны с большой площадью улавливания и снижать полосу приема. Рассмотрим это подробнее. Мы полагали, что передача должна осуществляться на монохроматическом колебании. Наиболее чистые узкополосные колебания дает квантовый генератор, например, на водороде. Ширина его линии менее 1 Гц, а стабильность 10^-14 дает уходы частоты не более 10^-14´1,4´10⁹ = 1,4´10^-5 Гц или уходы фазы на 1 рад за 10⁴ с. Следовательно, применяя узкополосный фильтр в приемнике шириной в 1 Гц, получим уменьшение минимальной обнаружимой мощности в = 1,4´10³ раз. Во столько же раз

уменьшится требуемая мощность передатчика для той же дальности и почти в 40 раз - радиус сферической антенны. Но как уже говорилось, из-за допплеровского эффекта частота неопределенна, поэтому нужно сооружение спектроанализатора с общей полосой анализа около 2 МГц. Однако здесь возникают трудности в связи с тем, что допплеровский сдвиг частоты меняется со временем, т. е. имеет место дрейф частоты. Это может быть связано, например, с тем, что передатчик вращается по некоторой орбите вокруг своей звезды. При скорости передатчика на орбите v == 50 км/с для приемника, находящегося вблизи плоскости орбиты, частота приема будет периодически меняться на ±fv/c » ±3´10⁵ Гц. Если один оборот по орбите происходит за t с, то изменение частоты будет в среднем происходить со скоростью df/dt = 4vf/ct. При обращении за год t »10⁷ с. и dt/df = 4´10^-2 c^-2. Таким образом, за 25 с частота изменится на 1 Гц. Очевидно, что существование неизвестного дрейфа частоты накладывает предел на ширину полосы канала фильтра. Ширина полосы Df_k канала должна быть существенно больше величины дрейфа за время установления, т. е.

Так что идея поиска космических сигналов по своей глупости, бессмысленности и наивности далеко превосходит идеи учёных высмеянных Джонатаном Свифтом. Действительно, добывать энергию из огурцов, и делать ткань из паутины - дело гораздо более перспективное и практичное.