[Назад] [Оглавление] [Вперед]

1.10. Оптический канал связи

До сих пор мы рассматривали возможности и попытки обнаружения радиосигналов ВЦ. Это вполне естественно, поскольку радиосвязь является основным средством коммуникаций на Земле, и поскольку, начиная с пионерских работ Дж. Коккони, Ф. Моррисона и Ф. Дрейка, было показано, что радиоволны СВЧ-диапазона могут обеспечить связь на межзвездные расстояния. А возможны ли иные способы связи с ВЦ?

В XIX в., когда радиоволны еще не были известны, рассматривались проекты световой сигнализации на планеты Солнечной системы. Наиболее серьезный проект был предложен Э. Неовиусом, российским ученым финского происхождения⁴⁷. Неовиус предложил поместить в фокусе оптического телескопа яркий источник света и с помощью специальной подвижной диафрагмы с вырезами модулировать световой поток в виде «точек» и «тире» азбуки Морзе. В качестве источника света он предлагал использовать недавно изобретенную вольтову дугу. Располагая ее в фокусе телескопа с диаметром объектива в 1 м, можно было создать сигнал вполне обнаружимый на поверхности Марса с помощью аналогичного телескопа. Для создания обнаружимого сигнала на более удаленных планетах Неовиус предлагал использовать систему из нескольких 1-метровых телескопов. Он прекрасно понимал, что создание такой системы не под силу одной какой-либо стране и предлагал объединить усилия многих передовых стран, рассматривая задачу связи с внеземными цивилизациями как общечеловеческую. Проект Неовиуса был рассчитан на связь в пределах Солнечной системы. А возможна ли связь с помощью световых сигналов на межзвездные расстояния? До изобретения лазеров мы должны были бы ответить отрицательно.

На первый взгляд, это может показаться не совсем ясным. Если мы помещаем радиопередатчик в фокусе зеркальной антенны и таким образом создаем луч, который можно направить на различные звезды, получая при этом вполне обнаружимый сигнал, — то почему бы ни поместить источник света в фокусе оптического зеркала и с помощью такого прожектора не попробовать передавать световые сигналы? Различие между радиотелескопом и прожектором состоит в том, что радиотелескоп обладает гораздо большей направленностью. Это связано с тем, что излучатель радиоволн, находящийся в фокусе зеркальной антенны, имеет размер, не превышающий длину волны радиоизлучения, поэтому раствор радиолуча определяется только дифракцией и равен λ/D. Длина волны видимого света столь мала, что невозможно создать источник такой протяженности. Пламя вольтовой дуги или нить накаливания имеют размер порядка сантиметров, а длина волны видимого спектра меньше 1мкм. При таких условиях расходимость луча прожектора значительно больше дифракционного предела. Хороший прожектор имеет расходимость луча порядка полградуса. Такую же диаграмму направленности будет иметь радиотелескоп диаметром 1 м, работающий на волне 1 см. Это довольно низкая направленность. Чтобы обеспечить радиосвязь на межзвездные расстояния, требуется гораздо более высокая направленность. Тем более это необходимо для светового сигнала. Ведь условия обнаружения светового сигнала гораздо хуже, чем радиосигнала. Это связано с необходимостью выделения сигнала на фоне излучения звезды.

Если цивилизация, посылающая радио или световые сигналы, находится в окрестности какой-то звезды (на планете, обращающейся вокруг этой звезды), то при наблюдении ее даже с расстояния ближайших звезд (а тем более с дальних расстояний) излучение цивилизации невозможно отделить от излучения звезды: практически они будут наблюдаться в одном направлении. Значит, сигнал ВЦ должен быть обнаружен на фоне излучения звезды. Мощность излучения нормальной звезды, типа Солнца, в радиодиапазоне низка, поэтому обнаружение радиосигналов на фоне этого излучения не представляет труда. Ограничивающим фактором здесь является не излучение звезды, а галактический фон. Если радиосигнал можно обнаружить на фоне галактического излучения, он «автоматически» выделяется из излучения звезды. Иное дело в оптическом диапазоне. Здесь интенсивность излучения звезды гораздо выше, и именно она, а не галактический фон, ограничивает возможность обнаружения сигнала. Чтобы световой сигнал можно было обнаружить на фоне яркого излучения звезды, направленность светового пучка должна быть очень острой, значительно острее, чем в радиодиапазоне. В то время как световой прожектор дает очень низкую направленность. Изобретение лазеров позволило снять это противоречие.

Принцип работы лазера такой же, как у мазера (рассмотренного в § 1.8). Он является источником вынужденного когерентного излучения, в котором все фотоны данной длины волны летят в одном направлении. Конечно, это условие выполняется не абсолютно, а с определенной точностью: поскольку излучение лазера по всей его поверхности синфазно, то угловая ширина светового луча определяется дифракцией и равна λ/α, где α — линейный размер излучающей поверхности. А так как длина волны видимого света очень мала, то и расходимость пучка лазера, даже при небольшом размере светящейся поверхности, невелика. Так, для λ = 5000 А^° при α = 1 см, расходимость пучка составляет 5 · 10^-5 рад или 10 секунд дуги, что сопоставимо с направленностью радиотелескопа диаметром 200 м, работающего на волне 1 см. Это уже достаточно высокая направленность. Однако с помощью оптической системы ее можно еще увеличить. Поместим в пучок лазера идеальную линзу диаметром а с фокусным расстоянием, равным тоже а. Тогда в фокусе линзы будет получено действительное изображение размером λ. То есть такая система позволяет получить источник света, имеющий размер, равный длине волны (как излучатель в радиодиапазоне). Если теперь совместить фокус линзы с фокусом большого зеркала, диаметром D, то пучок, выходящий из большого зеркала, будет иметь расходимость λ/D. Для 5-метрового зеркала она составляет 10^-7 рад или 0,02 угловой секунды. Это соответствует очень высокой направленности: телесный угол, в котором сосредоточено излучение, равен 10^-14 стерадиана. (Чтобы реализовать такую направленность в радиодиапазоне, надо иметь гигантский радиотелескоп; если, например, радиотелескоп работает в диапазоне 20 см, где расположены радиолинии водорода и гидроксила, его размер должен быть 2000 км!) Столь высокая направленность лазера позволяет осуществить передачу световых сигналов на межзвездные расстояния.

Первые, кто обратил внимание на возможность использования лазеров для межзвездной связи, были американские ученые Р. Шварц и Ч. Таунс. Их статья в «Nature» на эту тему⁴⁸ появилась в 1961 г., спустя год после первых попыток поиска радиосигналов ВЦ (проект «Озма»). Таунс является одним из изобретателей лазера, вместе с советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым он был удостоен Нобелевской премии за это изобретение. Не удивительно поэтому, что именно Таунс исследовал возможности применения лазеров для связи между космическими цивилизациями.

В качестве примера Таунс и Шварц рассмотрели такую систему: лазер мощностью 10 кВт, работающий в непрерывном режиме на волне 5000 А^°, в полосе 1 МГц, диаметр дополнительного большого зеркала — 5 м. Угол раствора пучка в такой системе 10^-7 рад. Чтобы сохранить столь высокую направленность, система должна быть вынесена за пределы атмосферы.

Если внеземная цивилизация, расположенная около одной из ближайших звезд на расстоянии 10 св. лет от Солнца, посылает к нам световые сигналы с помощью подобной системы, то поток излучения у Земли будет составлять 10^-16 Вт/м², что соответствует звездной величине 21,2^m. В те годы это было близко к предельной звездной величине объекта, который можно было наблюдать на Земле при помощи самых крупных телескопов. Заметим, что обычный прожектор той же мощности (10 кВт) создал бы на Земле поток на 10 порядков (в 10¹⁰ раз) меньше, что было бы далеко за пределами обнаружения.

Рассмотрим теперь проблему выделения лазерного сигнала на фоне излучения звезды. Звезда типа Солнца, расположенная на расстоянии 10 св. лет, создаст у Земли поток, равный 3-10^-9 Вт/м². Эта величина на 7,5 порядков превышает поток от лазера. Следовательно, если наблюдать в интегральном свете, мы ничего не увидим. Но можно воспользоваться тем, что лазер излучает в очень узкой полосе частот. Полосе 1 МГц на волне 5000 А^° соответствует интервал длин волн ~ 10^-5 А^°. То есть лазер излучает очень узкую спектральную линию, которая наблюдается на фоне непрерывного спектра звезды. Для того чтобы линию можно было обнаружить, выделить на фоне непрерывного спектра, с помощью спектрографа (или иного спектрального аппарата), спектральная плотность потока в линии должна превышать спектральную плотность потока звезды в непрерывном спектре на той же частоте. При принятых параметрах излучающей системы спектральная плотность потока от лазера на Земле будет равна 10^-22 Вт/(м² ∙ Гц). Та же величина для звезды составляет 4 ∙ 10^-24 Вт/(м² ∙ Гц). То есть спектральная плоскость потока лазера в 25 раз превышает спектральную плотность потока звезды. Условие обнаружения выполнено! Но его еще надо реализовать практически. Если бы мы сумели выделить в спектре звезды участок шириной 10^-5 А^° на частоте лазера, тогда наблюдаемая контрастность линии по отношению к непрерывному спектру равнялась бы 25, что с избытком достаточно для ее обнаружения. Но такая разрешающая способность совершенно недостижима для звездных спектрографов. Если же использовать спектрограф с более грубым разрешением, интенсивность линии будет «размазываться» по спектру, и ее наблюдаемый контраст будет падать. Практически можно реализовать звездный спектрограф с разрешающей способностью 0,03 А^°. Это очень высокая разрешающая способность! Но даже при таком разрешении наблюдаемый контраст линии составит всего 0,01 от непрерывного спектра. При таком контрасте обнаружить линию практически невозможно. Чтобы преодолеть эту трудность, Таунс и Шварц предложили очень красивую идею: использовать для передачи частоту, которая совпадает с центром какой-нибудь сильной линии поглощения в спектре звезды. Тогда в центре широкой линии поглощения будет наблюдаться узкая линия излучения, испускаемая лазером. А так как излучение звезды в центре линии поглощения слабее, чем в соседних участках непрерывного спектра, то наблюдаемый контраст лазерной линии возрастает. Расчеты показали, что при использовании лазера на частоте одной из линий «Н» или «К» звездного спектра наблюдаемый контраст при разрешающей способности 0,03 А^° будет составлять 10%, что уже достаточно для обнаружения. Для передачи информации по такому каналу можно менять какой-нибудь параметр излучения, например интенсивность линии.

Таким образом, описанная система позволяет осуществить передачу сигналов в оптическом диапазоне с расстояния ближайших звезд. Применение более мощных лазеров даст возможность увеличить дальность связи. При мощности 10¹⁰ Вт (подобные лазеры разрабатываются для противоракетной обороны и для реакторов термоядерного синтеза) дальность связи возрастет до 10000 св. лет. Для обнаружения таких сигналов необходимо изучать спектры звезд с высоким спектральным разрешением при помощи крупных оптических телескопов с целью поиска узких линий излучения, расположенных на необычных частотах (например, в центре сильных линий поглощения) и обладающих переменными характеристиками.

Другой тип сигналов связан с применением лазеров, работающих в импульсном режиме. В этом случае высокая пиковая мощность достигается за счет концентрации энергии в очень коротком импульсе. Так, лазер с энергией импульса 10 Дж при длительности импульса 10^-12 с имеет мощность 10¹³ Вт.

А. Д. Сахаров предложил способ оптической сигнализации без применения лазеров, с помощью термоядерной «лампы-вспышки» — сокращенно ЛВ (рис. 1.10.1). Устройство выводится за предел планетной системы и там взрывается. Энергия взрыва трансформируется в короткий световой импульс, который можно обнаружить на расстоянии ближайших звезд. Согласно предложению А. Д. Сахарова, несколько ЛВ размещается в пространстве эквидистантно на одной прямой (рис.1.10.2) и взрываются синхронно, либо через равные промежутки времени. Такой характер сигнала может служить критерием искусственности. Для передачи информации используется тонкая микроструктура импульса. Приемное устройство должно включать оптический телескоп с высоким угловым разрешением (до 0,01") и аппаратуру для регистрации очень коротких световых импульсов. А. Д. Сахаров предложил систематически, раз в 10-20 лет, выводить заряды ЛВ за пределы Солнечной системы и взрывать там. Помимо сигнализации, это хороший способ избавиться от термоядерного оружия на Земле.

Обсудим теперь сравнительные достоинства связи в радио и оптическом диапазонах. Прежде всего необходимо выделить две задачи: 1) передача и обнаружение позывных; 2) передача и прием основной содержательной программы связи (космическое вещание). Назначение позывных — привлечь внимание получателя, облегчить ему задачу установления искусственной природы принимаемого излучения. Для этого наряду с физическими характеристиками сигнала, которые можно рассматривать в качестве предварительных критериев искусственности, позывные должны содержать определенное количество смысловой информации, на основании которой можно сделать окончательное заключение об искусственном характере принятых сигналов. Кроме того, можно полагать, что позывные содержат информацию, представляющую своего рода «ключ» к основной программе: указание на частоту, на которой ведется информативная передача; сведения о полосе сигнала, способе кодировки и т. д. Общее количество информации, которое требуется для этих целей, не так велико. 

Рис. 1.10.1. Оптическая «Лампа-вспышка» для связи с ВЦ. Фрагмент из письма А. Д. Сахарова (ответ на анкету SETI).

Источником энергии служит термоядерный взрыв. Сжимая энергией продуктов взрыва тонкий слой газа — аргона, можно получить короткую световую вспышку с любой микроструктурой для передачи информации

Рис. 1.10.2. Схема размещения импульсных источников света в проекте А. Д. Сахарова

Поэтому пропускная способность канала (скорость передачи информации) в случае позывных не имеет решающего значения, она может быть невелика. После того как цивилизация обнаружит и расшифрует позывные, она может перейти к приему основной программы космического вещания. Эта программа должна обеспечить передачу большого количества информации, поэтому пропускная способность канала в этом случае приобретает существенное значение. С учетом этих требований рассмотрим радио и оптический канал.

Основное достоинство радиоканала состоит в том, что в нем реализуется минимум принципиально неустранимых помех. Это делает радиосвязь наиболее экономичной в энергетическом отношении. Но дело не только в экономичности связи. Минимум принципиально неустранимых помех — это определенное объективное свойство, которое отмечает радиодиапазон среди других диапазонов электромагнитных волн, своего рода метка, известная всем цивилизациям. Поэтому стремясь найти согласованное решение по выбору диапазона, они должны обратить внимание на эту «метку». Тем более, что отмеченное свойство делает радио диапазон пригодным и, в известном смысле, оптимальным для всех цивилизаций.

Главные достоинства оптического канала — его высокая пропускная способность и легкость осуществления остронаправленной передачи. Чтобы осуществить сравнимую направленность в радиодиапазоне, надо иметь зеркала размером в сотни километров. Такие зеркала можно построить только в космическом пространстве; на поверхности планеты они будут испытывать слишком большие деформации от собственного веса, при которых не удается сохранить требуемую точность поверхности. Впрочем, и лазерные установки также надо выносить за пределы атмосферы, но по другой причине — чтобы избежать расширения луча в неоднородной атмосфере.

При определенных обстоятельствах направленность лазерных систем может быть даже излишне высокой, затрудняющей поиск. Так, в рассмотренном выше примере, когда сигнал посылается с расстояния 10 св. лет, а раствор пучка составляет 10^-7 рад, его поперечное сечение в «пункте наблюдения» будет составлять 10 млн км. Это значительно меньше размеров Солнечной системы и даже меньше (в 15 раз) расстояния от Земли до Солнца. Поэтому если цивилизация-отправитель направит луч лазера точно на Солнце, Земля не попадет в этот луч, и сигнал не может быть принят. Следовательно, чтобы облучить неизвестную планету, где, может быть, существует разумная жизнь, цивилизация-отправитель должна будет «шарить» лучом своего лазера по околосолнечному пространству, в пределах всей Солнечной системы (или ожидаемой «зоны жизни»)⁴⁹. Это увеличивает время поиска для передающей ВЦ и затрудняет обнаружение сигнала, так как обитаемая планета лишь на короткое время будет облучаться инозвездным лазером. На эту трудность обратил внимание И. С. Шкловский. Конечно, она не является непреодолимой. Все зависит от мощности лазера. Если мощность лазера увеличить на 4 порядка, доведя ее до 100 МВт, то, используя более скромную оптическую систему с диаметром объектива 5 см вместо 5 м, можно увеличить раствор пучка в 100 раз. При этом луч, направленный на звезду, покроет практически всю планетную систему (или, по крайней мере, ее «зону жизни»), и искать нужную планету в околозвездном пространстве уже не потребуется. С другой стороны, увеличив мощность лазера, можно при той же высокой направленности соответственно увеличить дальность связи. При дальности 1000 св. лет и растворе пучка 10^-7 рад он будет покрывать практически всю планетную систему искомой цивилизации. Но в этом случае (при большой дальности) необходимо обследовать огромное число звезд.

В условиях взаимного поиска, когда положение абонента совершенно неизвестно, желательно, чтобы в диаграмме направленности телескопа, как у передающей, так и у принимающей ВЦ, одновременно находилось возможно большее число потенциальных абонентов (потенциальных объектов поиска). А оно, естественно, увеличивается с расширением диаграммы. В этом смысле более скромная направленность радиотелескопов дает даже известное преимущество. Другое дело, когда цивилизации обнаружат друг друга, тогда между ними может быть установлен постоянно действующий высоконаправленный канал связи, для создания которого целесообразно использовать оптические средства.

Пропускная способность канала определяется его полосой частот. В этом отношении оптический канал обладает большим преимуществом по сравнению с радиоканалом. Но опять-таки в условиях взаимного поиска высокая пропускная способность оптического канала является излишней. Однако она необходима для осуществления высокоинформативной связи.

На основании этих соображений можно заключить, что для передачи и приема позывных целесообразно использовать радиоканал, а для информативной передачи эффективней использовать оптический или даже рентгеновский диапазон спектра. Это значит, что на первом этапе, когда речь идет о поиске позывных, предпочтительнее вести его в радиодиапазоне. Однако учитывая неизбежную неполноту наших знаний, нельзя слишком категорически настаивать на этих выводах, как нельзя исключать и альтернативные подходы.

47 Неовиус Э. Величайшая задача нашего времени. — Гельсингфорс, 1876.

48 См. Шварц Р., Таунс Ч. Межзвездная и межпланетная связь при помощи оптических мазеров / Межзвездная связь. — М.: Мир, 1965. С. 247—256.

49 Альтернативная возможность состоит в том, что передающая цивилизация направляет луч точно на обследуемую звезду, а цивилизация, стремящаяся обнаружить сигнал, осуществляет поиск с помощью космических станций в близких окрестностях своей звезды. Если известно, что у звезды имеется подходящая для жизни планета (или планеты) и определена ее орбита, то область поиска для цивилизации-отправителя существенно сужается.