[Назад] [Оглавление] [Вперед]

1.5. Две стратегии поиска сигналов

Идеи Н. С. Кардашева открывали хорошие перспективы для поиска радиосигналов ВЦ. Надо было с чего-то начать. Осенью 1963 г. И. С. Шкловский и Н. С. Кардашев обсудили эту проблему с академиком В. А. Амбарцумяном, который предложил для оценки состояния проблемы и выработки практических рекомендаций провести научное совещание и согласился с тем, чтобы оно проходило в Бюраканской астрофизической обсерватории (Армения), директором которой он был.

Первое Всесоюзное совещание по проблеме «Внеземные цивилизации» состоялось 20-23 мая 1964 г. Оно было организовано Астрономическим советом Академии наук СССР, Государственным астрономическим институтом им. П. К. Штернберга и Бюраканской Астрофизической обсерваторией. Состав участников был не очень широк; в основном это были астрономы, радиоастрономы и радиофизики²¹. Среди них ведущие советские радиоастрономы: С. Э. Хайкин, И. С. Шкловский, B.C. Троицкий, Н. Л. Кайдановский, Н. С. Кардашев, Ю. Н. Парийский, В. А. Разин, Г. М. Тов-масян и др.; крупнейшие радиофизики: В. А. Котельников, А. А. Пистолькорс, В. И. Сифоров; специалисты по космической связи: Е. Л. Богуславский, Е. Ф. Дубовицкая; из астрономов принимали участие Б. В. Кукаркин, Д. Л. Мартынов, Б. Л. Маркарян, Э. Е. Хачикян, И. Д. Новиков и др.; физику представлял Л. Б. Зельдович, математику А. В. Гладкий. Совещание проходило под председательством В. А. Амбарцумяна.

Круг вопросов, которые обсуждались на совещании, можно разбить на три группы: а) общие проблемы ВЦ (физические условия, необходимые для возникновения и развития жизни, множественность обитаемых миров и ожидаемая распространенность технически развитых цивилизаций, характер и уровень их развития, возможные типы контактов между цивилизациями); б) проблема установления связи с ВЦ (оптимальный диапазон частот, возможная длительность и информативность связи, ожидаемые свойства искусственных радиоисточников, методы их обнаружения); в) проблема языка для межзвездной связи.

Совещание пришло к выводу, что проблема контакта с внеземными цивилизациями является важной и актуальной научной проблемой, которая вполне назрела, поскольку «имеются реальные предпосылки для постановки исследований и опытов» в этом направлении. Была подчеркнута необходимость планомерного экспериментального и теоретического изучения проблемы ВЦ.

В отношении методики поиска сигналов на совещании выявились два подхода, две различные точки зрения. Первое направление — поиск сигналов от цивилизаций нашего или несколько более высокого уровня (цивилизации I типа по Кардашеву). Методика поиска подобных цивилизаций исходит из того, что для обеспечения разумной дальности связи передающая цивилизация использует узкополосное и узконаправленное радиоизлучение (узкополосность служит также критерием искусственности).

Идею использования узкополосных сигналов для межзвездной связи активно отстаивал В. С. Троицкий²². Он не связывал такие сигналы с какой-то универсальной частотой (например, с радиолинией 21 см), а считал необходимым осуществлять поиск во всем оптимальном диапазоне волн (сантиметровые и дециметровые волны). В частности, он обратил внимание на целесообразность поиска около линий радиоизлучения отдельных молекул, применяемых в молекулярных генераторах и усилителях: линия аммиака на волне 1,25 см и линия формальдегида на волне 0,4 см.

Для обнаружения подобных сигналов, как уже отмечалось выше, необходимо осуществлять поиск по частоте и поиск по направлению. Простейшая стратегия состоит в том, что обе цивилизации, передающая и принимающая, осуществляют взаимный поиск, обследуя множество подходящих звезд, поочередно направляя антенны на них. Однако в этом случае очень велика вероятность пропуска сигнала. Чтобы исключить пропуск сигнала, В. А. Котельников предложил создать непрерывно действующую многоантенную систему обнаружения, перекрывающую весь небесный свод и обеспечивающую поиск по частоте в пределах выбранного оптимального диапазона волн²³. С этой целью каждая антенна должна быть оборудована многоканальным приемником; полоса каждого канала порядка 1 Гц, для перекрытия оптимального диапазона требуется 10⁹-10¹⁰ спектральных каналов.

Блок-схема приемника Котельникова приведена на рис. 1.5.1. Здесь А — антенна, У — усилитель, в котором происходит усиление и преобразование частоты принимаемых сигналов, Φ — фильтры с полосой Δf, Д — детекторы, И — интеграторы, суммирующие энергию, прошедшую через фильтр за время посылки длительностью τ, Π — пороговые устройства, которые дают сигнал на выходе только в том случае, когда энергия, прошедшая через фильтр за время τ превышает установленное пороговое значение.

Приемник позволяет обнаружить сигнал, но не дает возможность принимать информацию, если при передаче используется одна из систем амплитудной модуляции. Можно однако, передавать информацию, меняя частоту сигнала от посылки к посылке. Тогда сигнал будет появляться то в одном, то в другом канале приемника), причем с каждой новой посылкой он будет регистрироваться в каждом новом канале.

Появление сигнала в данном канале можно рассматривать как определенное сообщение. Скорость передачи информации в такой системе  будет составлять (log₂N)/τ бит в секунду (N — число спектральных каналов в приемнике). А полное количество информации, которое можно передать за время одной посылки длительностью τ, равно log₂N, что при N = 10⁹ -10¹⁰ составляет приблизительно 30 бит.

Рис. 1.5.1. Многоканальный приемник В. А. Котельникова для поиска сигналов ВЦ:

А — антенна, У — усилитель, Φ — узкополосные фильтры, И — интеграторы, Π — пороговые устройства

Стратегия поиска при использовании подобной системы, согласно В. А. Котельникову, состоит в следующем. Рассмотрим две цивилизации А и В, расположенные на расстоянии R друг от друга. Цивилизация А ведет передачу, цивилизация В работает на прием. Осуществляя поиск по направлению, цивилизация А последовательно «обшаривает» лучом своей антенны все небо, при этом длительность посылки сигнала в данном направлении равна τ. Пусть телесный угол луча антенны равен ω. Тогда для обхода небесной сферы требуется время t₀=4πτ/ω. Поскольку цивилизация В, как мы предположили, имеет систему обнаружения, охватывающую все небо, одна из антенн этой системы смотрит на цивилизацию А. Приемник, связанный с этой антенной, зафиксирует сигнал в момент, когда сканирующая антенна цивилизации А окажется направленной на цивилизацию В. Эксперимент по обнаружению сигнала должен длиться в течение времени t, значительно превышающего t₀. Тогда за время проведения эксперимента сигнал будет зарегистрирован несколько раз (вообще говоря, в разных каналах) через равные промежутки времени t₀, что позволит уверенно отличить его от случайных помех.

Какова же длительность эксперимента при подобном поиске? Примем, что длительность посылки в данном направлении τ = 3 с. Пусть площадь передающей антенны S₁ = 10⁵ м², длина волны λ = 10 см; тогда ω = λ²/S₁ = 10^-7, t₀ = 3,8 · 10⁸ с ≈ 12 лет. А полное время эксперимента в этом случае будет составлять ~ 10² лет. Это время можно существенно сократить, если цивилизация А, вместо того, чтобы «обшаривать» все небо, будет последовательно облучать все подходящие звезды в сфере радиуса R, быстро переводя антенну с одной звезды на другую. Пусть, например, система рассчитана на дальность связи 3000 св. лет, т. е. обе цивилизации предполагают, что расстояние между ними не превышает 3000 св. лет. В сфере такого радиуса содержится ~10⁸ звезд. Поскольку каждая звезда облучается в течение 3 секунд, то (пренебрегая временем на перестановку антенны) полное время облучения всех звезд составит 3 · 10⁸ с или 10 лет. То есть оно того же порядка, как и при обходе всего неба. Однако нет необходимости облучать все звезды. Цивилизация А должна выбрать только те из них, около которых можно ожидать наличие технически развитых цивилизаций. В. А. Котельников принял, что доля таких «подходящих» звезд составляет 1 %. Тогда время их облучения будет составлять 0,1 года. Если эксперимент длится 1 год, то за это время сигнал появится 10 раз через каждые 36 дней.

Каковы параметры системы обнаружения? Пусть мощность передатчика составляет 10⁹ Вт, λ = 10 см, τ = 3 с. Оптимальные условия обнаружения радиоизлучения реализуются, когда полоса каждого канала Δf = 1/τ. Будем считать, что это условие выполнено. Пусть шумовая температура приемника Т_III = 30 К, и пусть у приемника установлено значение порога, при котором вероятность ложного срабатывания и вероятность пропуска сигнала составляет 10^-5. Чтобы при этих условиях обнаружить сигнал на расстоянии 3000 св. лет, надо иметь приемную антенну площадью 900 м². Чтобы с помощью таких антенн перекрыть весь небесный свод, надо иметь более миллиона антенн (см. табл. 1.5.1). При этом не следует забывать, что каждая такая антенна оборудуется многоканальным приемником, содержащим 10⁹-10¹⁰ спектральных каналов. Конечно, создание подобной системы чрезвычайно сложная задача.

Параметры системы весьма чувствительны к расстоянию между цивилизациями. Если система рассчитана на 1400 св. лет, то для обнаружения требуется 250 тысяч более скромных антенн площадью 200 м² каждая. При этом время обходы всех подходящих звезд составляет 3,6 дня. Если эксперимент по-прежнему длится 1 год, то за это время сигнал должен появиться 100 раз. В этом случае можно разделить небосвод на 10 частей и последовательно обследовать каждую из них. Тогда, чтобы перекрыть исследуемую часть неба, количество антенн можно сократить в 10 раз, что составит 25 тысяч антенн. Длительность обследования каждой части неба — 36 дней, за это время сигнал должен появиться 10 раз. При расстоянии 300 св. лет система должна содержать 11 тысяч совсем небольших антенн площадью 9 м². При этом время обхода всех подходящих звезд, при принятых параметрах передающей системы, составит всего 1 час; небосвод можно разделить на 1000 частей, для перекрытия каждой из которых потребуется только 11 антенн. В этом случае система обнаружения вырождается в несколько антенн, последовательно (по частям) обследующих небесный свод.

Таблица 1.5.1 Параметры многоантенной системы обнаружения24

Исходя из подобных расчетов, В. А. Котельников пришел к выводу, что обнаружение сигналов от цивилизаций нашего уровня вполне реально, если одна такая цивилизация приходится на 10⁶ звезд.

Если одна цивилизация приходится на 10⁷ звезд, то при определенных условиях ее еще можно обнаружить. Но если одна цивилизация приходится на 10⁸ звезд, то обнаружить ее современными средствами крайне затруднительно.

Если первая часть предложения В. А. Котельникова — создание многоканальных приемников — впоследствии была реализована, то к созданию многоантенных систем обнаружения пока даже не приступали. Эксперименты по поиску монохроматических сигналов, которые проводились до настоящего времени, состояли в кратковременном, последовательном обследовании небольшого числа подходящих звезд в ближайших окрестностях Солнца.

Второе направление, развиваемое Н. С. Кардашевым — поиск сигналов от сверхцивилизаций (см. § 1.4). Поскольку речь идет о непрерывном широкополосном излучении, обнаружение подобных сигналов возможно с помощью обычной радиоастрономической аппаратуры. Здесь, практически, не требуется проводить поиск по частоте. А поиск по направлению сводится к исследованию различных дискретных источников космического радиоизлучения с целью выявления среди них искусственных радиоисточников, в соответствии с ожидаемыми критериями искусственности. Обследование звезд в рамках этой программы не представляет интерес, так как сверхцивилизации, осуществляющие преобразование таких гигантских потоков энергии, уже не могут ассоциироваться с обычными звездами.

Следует заметить, что в начале 1960-х годов, когда была выдвинута эта программа, космическое радиоизлучение в оптимальном для межзвездной связи сантиметровом диапазоне волн было еще очень слабо изучено. Обзоры неба, проведенные к тому времени, на основе которых были составлены каталоги радиоисточников, выполнялись на более длинных волнах. Например, знаменитый Кембриджский обзор проводился на частоте 178 МГц. Можно было ожидать, что существует множество радиоисточников с максимумом излучения в сантиметровом диапазоне, которые не видны на более длинных волнах²⁵. Среди них могли быть и искусственные источники. Поэтому Н. С. Кардашев выдвинул в качестве первоочередной задачи SETI проведение полных обзоров неба в оптимальном для межзвездной связи сантиметровом диапазоне волн. Это предложение было поддержано радиоастрономами, поскольку оно смыкалось с актуальными задачами радиоастрономии. Предполагалось, что в процессе обзора можно будет делать отбор источников с малыми угловыми размерами, а затем исследовать их согласно другим ожидаемым критериям искусственности.

Кроме того, Н. С. Кардашев обратил внимание на необходимость поиска искусственных радиоисточников в центре нашей Галактики и в ближайших галактиках — Магеллановых Облаках и Туманности Андромеда, а также на исследование некоторых пекулярных радиоисточников.

Бюраканское совещание рекомендовало развивать исследования в обоих направлениях: поиск монохроматических сигналов от ближайших звезд и поиск сигналов от сверхцивилизаций путем детального исследования радиоисточников, подозреваемых в качестве искусственных.

21 В последующем совещания стали более представительными: в них, наряду с астрономами и физиками, принимали участие биологи, историки, социологи, философы, лингвисты.

22 Троицкий В. С. Некоторые соображения о поисках разумных сигналов из Вселенной/ Внеземные цивилизации. Труды совещания. Бюракан, 20-23 мая 1964 г. — Ереван, 1965. С. 97-112.

23 Котельников В.А Связь с внеземными цивилизациями в радиодиапазоне / Внеземные цивилизации. — Ереван, 1965. С. 113—120.

24 Параметры, приведенные в таблице, пересчитаны по сравнению с приводимыми в оригинальной работе В. А. Котельникова, принимая среднюю звездную плотность в окрестностях Солнца 0,13 пк^-3 (Аллен К.У. Астрофизические величины. — М.: Мир, 1977. С. 356), что соответствует среднему расстоянию между звездами 6,5 св. лет.

25 Последующие исследования подтвердили существование такого класса радиоисточников.