Методы и результаты поиска внеземных цивилизаций в оптическом диапазоне.

Г.М. Бескин, Н.В. Борисов, В.Н. Комарова, С.Н. Митронова, С.И. Неизвестный,В.Л. Плохотниченко, М.Ю. Попова

Специальная Астрофизическая Обсерватория (САО), Нижний Архыз, Карачаево-Черкессия, Россия.

Обсуждаются возможности поиска сигналов внеземных цивилизаций в оптическом диапазоне. Анализируются два вероятных признака искусственного происхождения оптического излучения - вариации его интенсивности имеющие семиотический характер и наличие узких лазерных линий. Для обнаружения и изучения этих сигналов предлагается исследовать "подозрительные" астрономические объекты с предельно высоким временным разрешением, 10-7 сек. Для выполнения этой задачи используется специальный аппаратурно-программный фотометрический комплекс МАНИЯ (Многоканальный Анализ Наносекундных Изменений Яркости), который состоит из фотометра, системы регистрации, на основе преобразователя "время-код", компьютера РС АТ 586 и записывающего устройства. Приводится описание статистических методов и программ для поиска и анализа любой переменности блеска астрономических объектов на временной шкале 10-7-102 сек. Обсуждаются критерии выбора объектов для поиска в их излучении сигналов внеземных цивилизаций. Для поиска внеземных цивилизаций I типа предлагается исследовать 161 звезду спектральных классов F9V - G5V в окрестностях Солнца радиусом 25 парсек. Как возможные маяки (передатчики) внеземных цивилизаций II типа предлагается рассматривать объекты с необычными характеристиками, в частности, имеющие оптические спектры без линий. Приводятся результаты наблюдений 60 объектов упомянутых типов и ограничения для мощностей возможных сигналов.

ВВЕДЕНИЕ

Не существует однозначных критериев для определения возможного способа связи с цивилизациями, значительно более развитыми, чем наша (типы II и III по классификации Кардышева). На наш взгляд, наиболее подходящими являются электромагнитные волны оптического диапазона. В самом деле, согласно теореме Шеннона информационное содержание оптических передач может быть в 105-106 раз больше, чем в радиодиапазоне. Эта разница представляет собой разницу между азбукой и всеми существующими на Земле энциклопедиями (106 и 1011 битов соответственно) при одинаковых затратах на передачу. Возможности связи в оптическом диапазоне обсуждались Шварцом и Таунсом (1960), их детальное рассмотрение было дано Шварцманом (1977). Возможны два типа кодирования сигналов внеземных цивилизаций - спектральное и временное. В первом случае можно использовать лазерные сигналы с чрезвычайно малой шириной линии / 10-9, расположенной на необычной частоте 0 (Шварц и Таунс, 1960) (Рис. 1а). Спектральное кодирование такого рода приводит к корреляциям фотонов (т.е. флуктациям интенсивности) на малой временной шкале c 1/ = ( / )*1/ 10-6 с, (отметим, что для чисто когерентного излучения одномодового лазера c 1/ 10-15 )

Одна из возможностей временного кодирования сигнала была проанализирована Шварцманом (1977). В частности, он рассмотрел импульсную модуляцию излучения лазера. Параметры импульсов - длительность v , скважность и фактор k, зависящий от формы, являются элементами кода (Рис. 1в). Отклонение распределения фотонов от Пуассоновского, типичного для обычных астрономических объектов, является критерием обнаружения переменного сигнала в обоих случаях кодирования.

Поиск переменности пекулярных объектов в оптическом диапазоне был начат в САО РАН (Специальная Астрофизическая Обсерватория Российской Академии Наук) в 1972 году. С 1978 года наблюдения проводились на 6-м телескопе. Этот эксперимент получил название МАНИЯ (Многоканальный Анализ Наносекундных Изменений Яркости) (Шварцман, 1977; Бескин и др., 1982, Журавков и др., 1994). Основная цель эксперимента - изучение сверхбыстрой переменности различных объектов с предельно высоким временным разрешением около 10-7 сек.

АППАРАТУРА И МАТОБЕСПЕЧЕНИЕ

Комплекс МАНИЯ состоит из приемника излучения, системы регистрации, представляющей собой преобразователь "время-код", компьютера РС АТ 586 и записывающего устройства, на выходе которого каждому зарегистрированному фотону соответствует стандартный импульс с сопутствующей информацией о каждом кванте - пространственными координатами, частотой, поляризацией и т.п. В настоящее время как приемник используется фотометр с наборами диафрагм (4'' - 20'') и фильтров (U, B, V, R). Его мертвое время составляет 10-7, квантовый выход - несколько процентов.

Специальный преобразователь "время-код" "Квантохрон" определяет момент прихода фотонов с точностью ╠20 наносекунд и накапливает их 16-битовые коды и 16-битовые коды дополнительной информации в памяти компьютера. Устройство "Квантохрона" подробно описано в работе Журавкова и др. (1994).

Основные характеристики системы регистрации:

  • скорость регистрации данных на РС АТ 286-486 без искажений до 370000 кв/сек (в одноканальном режиме до 750000 кв/сек);
  • 16-битовые регистры используются для регистрации времен прихода одновременно в 216 каналах (координаты, длины волн и т.п.);
  • точность измерения времени ╠20 нсек, мертвое время - 20 нсек.

В рамках эксперимента МАНИЯ поиск и исследование переменности на временах 10-7 - 102 c (как естественного, так и искусственного происхождения) сводится к анализу статистических свойств временного ряда, состоящего из моментов регистрации фотонов. Разумеется, статистика фотонов в излучении искусственного происхождения будет отличаться от распределения Пуассона, являющимся типичным для обычных непеременных астрономических объектов. Как отмечалось выше, это справедливо для сигнала и со спектральным, и с временным кодированием. При поиске переменности на временах, меньших среднего интервала между фотоотсчетами, классические методы анализа кривых блеска не эффективны, из-за малых потоков. Для таких целей был разработан специальный, так называемый метод y2-функцией (Шварцман, 1977).

Он основан на статистическом анализе временных интервалов между фотонами. y2-функция определяется выражением

где Po(i) - доля интервалов длительностью от i до i+1 в потоке излучения от объекта;
Ps(i) - то же для звезды сравнения.

Метод d2-функций применяется при временах, превышающих средний интервал между фотонами, и аналогичен методу дисперсий. d2-функция определяется выражением

где Do(no(i)) и Ds(ns(i)) - выборочные дисперсии числа фотоотсчетов no(i) и ns(i) в окне длительностью i для объекта и звезды сравнения соответственно, а M(no(i)) - матожидание no(i).

В качестве стандартного потока используется поток излучения от звезды сравнения или постоянный пуассоновский поток. Можно показать, что между параметрами переменности (средняя амплитуда, скважность, характерное время и т.п.) и отклонениями y2- и d2-функций от нуля существует связь, что позволяет оценить эти параметры. При наличии переменности y2- и d2-функции возрастают на временах меньше характерного времени переменности (Шварцман, 1977; Плохотниченко, 1983, 1992). Для исследования медленных изменений блеска строится классическая кривая блеска и применяются классические методы анализа.

ОБЪЕКТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Аппаратура и матобеспечение комплекса МАНИЯ позволяют обнаруживать и исследовать изменения блеска астрофизических объектов во временном интервале от 10-7 до 103 сек, что соответствует узким эмиссионным линиям шириной 10-3 - 10-7 Гц. В список объектов эксперимента МАНИЯ включены кандидаты в одиночные черные дыры, рентгеновские двойные, пульсары, вспыхивающие звезды и т.п.

Мы получили кривые блеска пульсара в Крабовидной туманности с временным разрешением 3.3 мксек в UBVR полосах одновременно (Рис. 2) и обнаружили зависимость показателей цвета от фазы. Тонкой структуры (за исключением "статистического" шума) не найдено (Шварцман и др., 1986в). При изучении маломассивных рентгеновских двойных АО0620-00, МХВ 1735-44, GRO 0422+33 мы обнаружили сверхкороткие вспышки (длительностью v от 1 мсек до 10 s). Такая тонкая структура свидетельствует о нетепловом характере этих вспышек и заставляет подозревать, что механизм аккреции в таких системах нетепловой. (Шварцман и др., 1989а; Бескин и др., 1994; Бартолини и др., 1994). Изучение временной структуры вспышек М-карликов типа UV Ceti (Шварцман и др., 1988в) показало, что они имеют нетепловую природу.

В течение 20 лет наблюдений на 6-м телескопе мы исследовали более 200 объектов, в том числе, представляющих интерес для SETI.

Это белые карлики DC-типа - звезды с измеренными собственными движениями и непрерывным спектром (Шварцман и др., 1989а), РОКОСы - радиообъекты с континуальным оптическим спектром (Шварцман и др., 1989с) и солнцеподобные звезды.

Объекты с непрерывным оптическим спектром представляют особый интерес, потому что среди обычных астрофизических объектов они являются крайне редким явлением, и мы можем только догадываться о природе многих из них.

Возможно, мы наблюдаем излучение оболочек из аккрецирующего межзвездного газа, окружающего черные дыры солнечной массы. Шварцман (1971) показал, что в их оптических спектрах не будет деталей, а блеск будет меняться на временной шкале 10-4 - 10-5 сек. С другой стороны, отсутствие линий может означать, что излучение имеет искусственное происхождение. Так как феномен континуального спектра встречается редко, цивилизации высокого уровня действительно могли бы использовать его, чтобы привлечь наше внимание к их лазерным передатчикам.

Мы составили список DC-карликов, куда вошли более 110 объектов и наблюдали около 20 из них. Критерии отбора таковы: достоверное отсутствие линий, показатели цвета, характерные для объектов с нетепловым излучением, переменность блеска объекта на шкале месяцы - годы. Поиск переменности проводился в интервале времен от 500 нсек до 40 сек. По результатам статистического анализа переменности блеска нет с доверительной вероятностью, превышающей 99%.

Мы получили верхние пределы S относительной мощности вспышек длительностью 1 мксек и частотой 1 Гц (лазерные импульсы) - S 7*10-4 светимости объекта. Таким образом, мы можем установить верхний предел мощности гипотетических лазеров, которые могли бы передавать сигналы в направлении Солнца из окрестностей DC-карликов - p=S(2/4 )LDC, где 1 a.e. D, D10 парсек, LDC - светимость. Это около 107 Вт, примерно, одна миллионная земного потребления энергии.

Поиск переменности блеска у 21 РОКОСа (полный список включает 80 объектов) проводился в том же временном диапазоне и с тем же результатом. Типичные верхние пределы для относительной мощности быстропеременных составляющих излучения на временах от 10-6 до 10-2 сек - составили 20% - 5% для вспышек со скважностью 0.2. Для редких вспышек, со скважностью 10-3 эти пределы в 10 раз лучше. Значит, вероятнее всего, ни одиночных черных дыр, ни передатчиков внеземных цивилизаций среди РОКОСов нет.

При изучении РОКОСов и DC-карликов мы надеялись зарегистрировать сигналы высокоразвитых цивилизаций II и III типа от специально сконструированных передатчиков, которые расположены далеко от их создателей. Наблюдая солнцеподобные звезды спектральных классов F9V - G5V мы искали сигналы цивилизаций I типа, передаваемые из их зон обитания. Список таких звезд, расположенных не далее 25 пк от Солнца, содержит 161 объект. Особое внимание при включении в список уделялось звездам с планетными системами.

Мы наблюдали 20 солнцеподобных звезд с предельно-высоким временным разрешением на 6-м и на 1-м телескопах. Искалась переменность блеска в интервале времен от 100 наносекунд до 100 секунд. Никаких изменений яркости этих объектов с доверительной вероятностью более 99% не обнаружено. Оценки верхних пределов относительной мощности редких вспышек (одна в секунду) длительностью 1 мксек составляет около 2*10-2 - 6*10-2%. Соответственно, для мощности гипотетических лазеров внеземных цивилизаций мы получили верхний предел в 109 вт. Важно отметить, что если бы цивилизации земного типа передавали свои сообщения с DC-карликов или солнцеподобных звезд, с помощью лазеров, изготовление которых возможно и на Земле, мы могли бы зарегистрировать эти сигналы. Напомним, что в рамках "Звездных войн" планировалось создание квантовых генераторов с мощностью 1010 вт.

Итак к настоящему времени сигналы внеземных цивилизаций в оптическом диапазоне не обнаружены. Однако мы продолжаем их поиск, совершенствуем аппаратуру, расширяем списки объектов-кандидатов.

Исследования, обсуждаемые в настоящей работе, входят в Государственную программу "Астрономия".

Литература

  1. Бартолини и др. (Bartolini C. Guarnieri A., Picconi A., Beskin G., Neizvestny S.) // Ap.J. Supp. 1994. V. 92. P. 455.
  2. Бескин и др. (Beskin G., Mitronova S., Neizvestny S., Plokhotnichenko V., Popova M., Zhuravkov A., Benvenuto, O., Feinstein C., Mendez, M.)// A&A. 1994. V. 289. P. 141.
  3. Бескин и др. (Beskin G. M., Neizvestny S.I., Pimonov A. A., Plokhotnichenko V. L., Shvartsman V. F.) // Instrumentation for Astronomy with Large Optical Telescopes/Ed. Humphreys G.M., Reidel D. 1982. P. 181.
  4. Плохотниченко В. Л. (Plokhotnichenko V. L.) // Soobsh. SAO. 1983. V. 38. P. 29.
  5. Плохотниченко В.Л. (Plokhotnichenko V. L.) // PhD Thesis. 1992.
  6. Шварц Р., Таунс С. (Shvartz R. N., Townes C. H.) // Nat. 1961. V. 190. P. 205.
  7. Шварцман В.Ф. (Shvartsman V. F.) // Astron. Zh. 1971. V. 48. P.315.
  8. Шварцман В.Ф. (Shvartsman V. F.) // Soobsh. SAO. 1977. V. 19. P. 5.
  9. Шварцман В.Ф. и др. (Shvartsman V. F., Beskin G. M., Gershberg R. E., Plokhotnichenko V. L., Pustilnik L. A.) // SvA Lett. 1988а. V. 14. N. 4. P. 233.
  10. Шварцман В.Ф. и др. (Shvartsman V. F., Beskin G. M., Mitronova S. N.) // SvA Lett. 1989а. V. 15. P. 337.
  11. Шварцман В.Ф. и др. (Shvartsman V. F., Beskin G. M., Mitronova S. N., Neizvestny S. I., Plokhotnichenko V. L.) // SvA Lett. 1989б. V. 15. N. 7. P. 590.
  12. Шварцман В.Ф. и др. (Shvartsman V. F., Beskin G. M., Neizvestny S. I., Plokhotnichenko V. L.) // SvA Lett. 1988б. V. 15. N. 7. P. 590.
  13. Шварцман В.Ф. и др. (Shvartsman V. F., Beskin G. M., Pustil'nik S. A.) // Astrophysika. 1989в. V. 31. N. 3. P. 457.
  14. Журавков и др. (Zhuravkov A. V., Pimonov A. A., Plokhotnichenko V. L.) // Astrofiz. Issled. 1994. V. 37. P. 132.