[Назад] [Оглавление] [Вперед]

1.4. Поиск сигналов от сверхцивилизаций

Примерно в те годы, когда в США вызревали идеи межзвездной связи, в СССР этой проблемой заинтересовался выдающийся астрофизик И. С. Шкловский. В 1958 г. он выдвинул гипотезу об искусственном происхождении спутников Марса, основанную на аномальном торможении Фобоса при движении по орбите^19. В то время он очень увлекался этой идеей и, естественно, с большим интересом следил за литературой по проблемам, связанным с разумной жизнью во Вселенной. Он мгновенно отреагировал на публикацию Коккони и Моррисона в «Nature» и уже в 1960 г. опубликовал в советском журнале «Природа» большую статью «Возможна ли связь с разумными существами других планет?». Эта статья легла в основу его знаменитой книги «Вселенная, жизнь, разум». Первое издание ее появилось в 1962 г. Затем она многократно переиздавалась в СССР и была переведена на многие иностранные языки. В приложении к 6-му (посмертному) изданию приводятся очень яркие воспоминания И. С. Шкловского о том, как создавалась эта книга и о первых годах становления проблемы SETI. Книга оказала огромное влияние на развитие исследований по проблеме SETI в СССР и в других странах.

И. С. Шкловский всегда очень живо обсуждал научные проблемы со своими учениками и коллегами. Он умел увлекать идеями и умел заражать энтузиазмом. Один из ближайших учеников Шкловского — Н. С. Кардашев увлекся проблемой связи с внеземными цивилизациями и выдвинул очень важные идеи в этой области. Впоследствии он стал одним из признанных мировых лидеров в проблеме SETI. Свои главные идеи Кардашев изложил в работе «Передача информации внеземными цивилизациями», которая была опубликована в «Астрономическом журнале» в 1964 г. В публикации статьи большое содействие оказал крупный советский астрофизик и замечательный человек С. Б. Пикельнер. Сам он довольно скептически относился к проблеме SETI, но был уверен, что спорные проблемы в науке должны решаться путем открытой научной дискуссии.

Основная идея Кардашева состояла в том, что при поиске сигналов ВЦ надо ориентироваться на высокоразвитые цивилизации, технический уровень которых намного превосходит уровень нашей земной цивилизации. Действительно, если мы допускаем, что, кроме нас, во Вселенной есть и другие цивилизации, то мы должны также допустить, что среди них есть как цивилизации более низкого уровня, чем наша, так и значительно опередившие нас в своем развитии. Философским основанием для такого заключения служит убеждение в том, что земная цивилизация должна обладать некими средними параметрами (Принцип Бруно). Но имеются и более веские аргументы естественнонаучного порядка. С тех пор как (более десяти миллиардов лет тому назад) во Вселенной начался процесс звездообразования, он продолжается и по настоящее время. Звезды имеют различный возраст, некоторые из них только что возникли, другие просуществовали уже миллиарды лет, третьи закончили свою эволюцию. На определенном этапе около некоторых звезд возникают цивилизации. Образуются они в разное время и развиваются разными темпами. Отсюда и разброс в уровне развития цивилизации. Надо сказать, что Коккони и Моррисон хорошо понимали это, они подчеркивали, что внеземные цивилизации могут обладать гораздо более высоким техническим уровнем, но в своих практических оценках исходили (так же, как и Дрейк в проекте Озма) из уровня близкого к уровню нашей земной цивилизации. А это накладывало существенные ограничения на возможности обнаружения ВЦ.

Важнейшим параметром межзвездной связи является мощность передатчика. От нее зависит дальность связи, объем передаваемой информации, характер сигналов, а следовательно, и методы их обнаружения. На какую мощность передатчика можно рассчитывать? Очевидно, это зависит от энергетического потенциала передающей цивилизации. В настоящее время человечество потребляет в год около 3 ∙ 10²⁰ Дж энергии всех видов, что соответствует мощности 10¹³ Вт. Причем ежегодный прирост энергопотребления составляет 3%. При таких темпах роста уже примерно через 1000 лет энергопотребление достигнет величины 4 ∙ 10²⁶ Вт, что равно полной мощности излучения Солнца, а еще через 850 лет оно будет равно 4 ∙ 10³⁷Вт, т.е. энергетическому выходу 100 миллиардов звезд или мощности излучения всей Галактики. Кардашев исходил из энергопотребления 4 ∙ 10¹² Вт и принял более скромные темпы роста — 1% в год. При этом он нашел, что эти значения будут достигнуты соответственно через 3200 лет и 5800 лет.

Исходя из этих оценок, он разделил все цивилизации на три типа по уровню потребляемой ими энергии. К I типу он отнес цивилизации с уровнем энергопотребления порядка 10¹³ Вт, ко II типу — с уровнем энергопотребления порядка 4 ∙ 10²⁶ Вт, и к III типу — с энергопотреблением порядка 4 ∙ 10³⁷ Вт. В § 1.12 мы рассмотрим некоторые возможные модели цивилизаций II и III типа.

Каковы перспективы обнаружения цивилизаций I типа? Это зависит от того, насколько часто они встречаются. Если расстояние между ними порядка 10 св. лет, т. е. порядка расстояния между соседними звездами — перспективы кажутся весьма обнадеживающими. В сфере радиусом 10 св. лет находится всего несколько звезд, около которых можно ожидать партнеров по связи. Поэтому передающая ВЦ может направить на каждую из таких звезд свои антенны и непрерывно облучать их. Если около одной из них, действительно, существует цивилизация, которая хочет установить контакт с другой цивилизацией, то ей достаточно направить антенну на передающую звезду (одну из немногих соседних звезд), и сигнал может быть обнаружен. Если же расстояние между цивилизациями I типа велико, значительно превышает расстояние между соседними звездами, то установление связи между ними сопряжено с огромными трудностями.

Каково же ожидаемое расстояние между цивилизациями I типа? Число цивилизаций, находящихся на той или иной стадии развития, пропорционально длительности этой стадии. Если стадия кратковременна, то соответствующие цивилизации встречаются очень редко, расстояние между ними велико; если стадия продолжается длительное время, цивилизации встречаются чаще, расстояние между ними относительно мало. Дрейк учитывал это обстоятельство, когда, анализируя вопрос о шумах, ввел «принцип технического совершенства» и оценил распространенность технически совершенных цивилизаций. Однако он не распространил эти соображения на энергетический потенциал ВЦ и по существу ограничился (так же как и Коккони и Моррисон) рассмотрением цивилизаций I типа.

По оценкам авторов проекта «Циклоп», разработанного исследовательским центром НАСА им. Эймса, существует приближенное соотношение, согласно которому число цивилизаций в нашей Галактике приблизительно равно времени их жизни, выраженному в годах (см. гл. 4). Это считается довольно оптимистической оценкой. Учитывая приведенные выше соображения Кардашева о росте энергетического потенциала цивилизаций, можно полагать, что стадия цивилизаций I типа кратковременна; вероятно, ее длительность порядка 10³ лет, после чего они переходят в стадию сверхцивилизации II типа. При такой длительности число цивилизаций I типа в Галактике порядка 1000, т.е. одна цивилизация приходится в среднем на 10⁸ звезд, и среднее расстояние между ними приблизительно 3000 св. лет.

Оценим возможность приема сигналов в этом случае. Пусть мощность передатчика составляет 100 МВт. Передача ведется на волне 21 см в полосе частот 2 Гц. Эффективная площадь передающей антенны 10⁵ м². Примем, в согласии с «принципом технического совершенства», что температура шумов Тш = 10 К. И пусть площадь приемной антенны также составляет 10⁵ м², что близко к конструктивному пределу для наземных радиотелескопов, но вполне достижимо для космических радиотелескопов, обращающихся по орбите вокруг Земли. Если антенны смотрят друг на друга, то в точке приема, на расстоянии 3000 св. лет от передающей цивилизации, может быть обеспечено отношение сигнал/шум равное 100. Это не только достаточно для обнаружения сигнала, но и для уверенного приема информации с высокой надежностью. Все это выглядит весьма оптимистично, и, если цивилизации обнаружат друг друга, то они действительно могут организовать взаимно-направленный эффективный канал связи. Но в том-то и состоит проблема — как им найти друг друга?

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 ее 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 узко-полосных 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 типа, 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 hv (практически, она значительно больше, но пропорциональна hv). Это эквивалентно наличию шума с температурой Т_q = hv/k (h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, v — частота сигнала). Чем больше частота сигнала, тем больше энергия кванта и тем, стало быть, выше температура квантового шума.

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 10¹⁰Гц (длина волны 3 см). Штриховая линия соответствует наблюдению в направлении на полюс Галактики, она имеет минимум на частоте 3 ∙ 10⁹Гц (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).

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.

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

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 ее 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 физики²⁰ .

В настоящее время не существует сколько-нибудь уверенных оценок расстояний между космическими цивилизациями. При больших расстояниях (скажем, больше 1000 св. лет) время распространения сигнала может превысить характерное время развития цивилизаций (время их существенного изменения), а при еще больших расстояниях — даже время жизни цивилизаций. При таких условиях «диалог» между цивилизациями становится бесперспективным. Следовательно, речь может идти только об односторонней связи (космическое радиовещание), когда каждая цивилизация передает некий объем знаний без надежды на ответ.

Такая односторонняя передача в определенном смысле подобна передаче генетической информации. Как судьба особи после воспроизведения потомства не имеет значения для истории вида, точно так же и судьба цивилизации, после того как она отправит послание в Космос, не имеет значения для ее получателя. Может быть, в момент приема сигналов, где-то в отдаленной части Вселенной, пославшая их цивилизация уже перестала существовать, но электромагнитные волны донесут до неизвестных абонентов отправленную им информацию.

Какое же количество информации можно передать по каналу межзвездной связи? Это зависит от полосы частот канала связи. При полосе 10⁹ Гц можно передавать не менее 10⁹ двоичных единиц в секунду. Тогда для передачи одного тома энциклопедии, содержащего 10⁶ двоичных единиц, потребуется тысячная доля секунды, а за 100 секунд можно будет передать информацию, содержащуюся в 100 тысячах подобных томов, в которых, вероятно, можно было бы изложить всю сумму знаний, накопленных человечеством. При полосе 10¹¹ Гц скорость передачи, соответственно, в 100 раз выше.

Можно представить себе такую модель контакта. Цивилизация II или III типа непрерывно посылает сигналы по всем направлениям в пространстве. Каждый цикл передачи занимает время порядка одного года, в течение которого передается 10¹⁶—10¹⁸ бит информации. По окончании цикла программа повторяется вновь и вновь. Тогда, где бы в пределах действия передатчика, ни находился предполагаемый абонент (цивилизация-получатель), она, рано или поздно, достигнув определенного уровня развития, сумеет обнаружить эти сигналы, расшифрует их и начнет прием ценнейшей информации от более развитой цивилизации. Это поможет ей преодолеть многие трудности, избежать многих ошибок и будет способствовать более быстрому развитию (или, во всяком случае, расширению и обогащению ее опыта и знаний). Скоро и эта цивилизация сможет послать сигналы в космическое пространство, передавая знания, полученные ею и обогащенные ее собственным опытом.

Такая модель контакта напоминает взаимодействие культур на земном шаре. Многие великие цивилизации древности давно перестали существовать, но непреходящие ценности их культуры продолжают волновать новые и новые поколения людей и являются предметом изучения новых поколений, хотя никто из нас уже не сможет что-либо спросить у Сократа или поспорить с Аристотелем.

Как же обнаружить сигналы от сверхцивилизаций? Монохроматический сигнал легко выделить из естественного космического радиоизлучения, так как он отличается именно своей узкополосностью. Но при полосе частот 10⁹/10¹¹ Гц искусственный сигнал очень напоминает широкополосное излучение естественных радио-источников. Поэтому необходимо установить какими признаками должен отличаться искусственный источник радиоизлучения от естественного. Ведь прежде чем пытаться получить информацию путем расшифровки полученных сигналов, мы должны убедиться в том, что имеем дело с искусственным источником (цивилизацией), должны суметь выделить его из множества естественных радиоисточников. То есть здесь на первый план выдвигается проблема критериев искусственности.

Кардашев указал на несколько таких отличительных признаков, которым должен удовлетворять искусственный радиоисточник: предельно малые угловые размеры, характерное спектральное распределение мощности (см. § 1.7), особенности излучения вблизи линии 21 см, круговая поляризация, закономерное изменение характеристик источника со временем.

Таким образом, помимо исследования ближайших звезд, наметился еще один путь поиска сигналов ВЦ — поиск новых радиоисточников в оптимальном диапазоне волн и их изучение с целью отобрать возможные искусственные источники, в соответствии с предполагаемыми критериями искусственности. Это направление тесно смыкается с актуальными задачами радиоастрономии.

19 Эта гипотеза впоследствии не подтвердилась.

20 Впоследствии В. С. Троицкий указал на ряд трудностей создания всенаправлен-ного «радиомаяка» с мощностью, соответствующей цивилизациям II и III типа (Троицкий B.C. Развитие внеземных цивилизаций и физические закономерности / Проблема поиска внеземных цивилизаций. — М.: Наука, 1981. С. 5—29). Однако это относится к конкретным механизмам его создания.