Стратегия Поиска Узкополосных Сигналов ВЦ.

Г.М.Рудницкий

ГАИШ, Москва

Поиск сигналов внеземных цивилизаций (ВЦ) представляет собой сложнейшую многоплановую проблему, находящуюся на стыке нескольких отраслей знания - астрономии, физики, биологии, философии и др. С технической точки зрения поиск ВЦ предполагает мобилизацию наблюдательных средств для слежения за небом. В то же время, направления предполагаемого поиска и вероятность успешного исхода - параметры весьма неопределённые. По этой причине перед тем, как приступить к решению поставленной задачи, необходимо максимально уменьшить эту неопределённость, используя всю доступную информацию о возможном характере предполагаемого сигнала ВЦ.

В данном обзоре рассматривается только один вид поиска - поиск позывных сигналов ВЦ "земного типа" в радиодиапазоне. Использованы, в том числе, материалы недавних конференций по SETI. Список литературы не претендует на полноту, приведены ссылки лишь на основные работы.

КОСМИЧЕСКИЙ СТОГ СЕНА

Поиск сигнала ВЦ часто сравнивают с поиском иголки в "Космическом стоге сена". Под "стогом" при этом понимают некоторый объём в гиперпространстве, имеющем девять измерений: три пространственных координаты, время, два направления поляризации, частота сигнала, модуляция, мощность сигнала.

Рис.1. "Космический стог сена" [1]; показаны область, покрываемая обзором всего неба программы HRMS и область направленного поиска околозвёздных объектов.

На рис.1 показано сечение "Космического стога сена", в котором оставлены лишь три измерения: частота, чувствительность приёмной аппаратуры и N - число направлений на небе, в которых надо производить поиск. Все выполненные до сих пор обзоры SETI охватывают лишь около 10^-10 объёма, показанного на рис. 1. Таким образом, не стоит отчаиваться по поводу (пока) отрицательных результатов поиска, т.к. остается широчайшее поле деятельности. Задача состоит в том, чтобы выделить в "стоге" области, наиболее перспективные с точки зрения стратегии поиска. Рассмотрим последовательно некоторые из параметров "стога".

ВЫБОР ЦЕЛЕЙ ДЛЯ ПОИСКА СИГНАЛОВ ВЦ

Существуют две возможных стратегии выбора направлений поиска: направленный поиск и сплошной обзор всего неба (или его части, доступной данному радиотелескопу). Естественно, при обзоре всего неба имеются более широкие возможности обнаружить сигнал от "неожиданного" объекта (например, необычной звезды несолнечного типа или космического зонда, которые могут находиться в произвольной точке неба). Однако, чувствительность "всенаправленного" обзора (при том же полном времени наблюдений) ниже, чем при целенаправленном поиске сигналов от ряда избранных объектов. Исторически первый поиск - проект OZMA [3] - был именно направленным и включал в себя слежение за двумя близкими звёздами классов G-K: Кита и e Эридана.

Для выяснения количества звёзд - потенциальных источников сигнала ВЦ можно воспользоваться следующим. Вероятное число N планетных систем в Галактике, от которых можно было бы ожидать сигналов, дается известной формулой Дрейка [4,с.26]:

Здесь R_* - скорость звёздообразования в Галактике; f_p - доля звёзд, обладающих планетными системами; n_e - среднее число планет земного типа в планетной системе; f_l - доля планет с жизнью; f_c - доля планет с технологическими цивилизациями; L - время жизни технологической цивилизации. Величины R_*, f_p и n_e могут быть оценены средствами астрономии. Так, для R_* имеется оценка: ~ вновь родившаяся звезда в год в Галактике. Представление о параметрах f_p и n_e может быть получено по результатам поиска внесолнечных планетных систем (см. обзор [5]). Наблюдения, выполненные разными методами, показывают, что около полусотни звёзд в окрестностях Солнца, вероятно, обладают планетными системами (правда, далеко не все из этих предполагаемых планет относятся к земному типу и пригодны для возникновения жизни, похожей на нашу). Завершая обсуждение формулы Дрейка, нужно ещё отметить, что величина f_p включает в себя одиночные звёзды главной последовательности классов FGK, доля которых в звёздном населении окрестностей Солнца может достигать 10%. В ближайшем будущем исследования должны показать более конкретно, какие значения могут принимать вероятность f_p и число "подходящих" планет n_e. Что касается следующих параметров в формуле Дрейка, для них неопределённость гораздо выше. Для квалифицированной оценки здесь требуется привлечение знаний по многим отраслям науки (биология, палеонтология, антропология, история, социология), и всё равно достоверность ответа будет очень низкой, поскольку мы имеем пример лишь одной реально существующей цивилизации - нашей собственной, и распространение наших знаний о ней на другие миры весьма проблематично. Существующие оценки числа цивилизаций N в Галактике лежат в пределах от единицы (т.е. земная цивилизация уникальна) до нескольких миллионов.

В направленный поиск обычно включают звёзды, удовлетворяющие таким требованиям [6]:

• стационарные, (т.е. не меняющие свой блеск);
• звёзды спектральных классов FGK (близких к солнечному), принадлежащие к главной последовательности, иначе, звёзды с массой порядка солнечной, находящиеся на длительном и относительно спокойном этапе своей эволюции;
• одиночные, т.к. в системе двойной или кратной звезды очень маловероятно существование стабильных орбит для планет, а, возможно, и планетная система вряд ли образуется (с этой точки зрения Кита, включённая в проект OZMA, была не лучшим кандидатом на успех, потому что эта звезда двойная или даже тройная).

Проведённая работа по отбору звёзд согласно перечисленным критериям даёт списки, содержащие тысячи объектов [6]. Это позволяет произвести достаточно обоснованный отбор направлений на небе, предпочтительных для целенаправленного SETI.

ВЫБОР ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПОИСКА ПОЗЫВНЫХ ВЦ

Фундаментальный параметр - несущая частота возможного сигнала позывных. Со времён пионерской работы Коккони и Моррисона [7] и первого поиска - проекта OZMA [3] - наиболее подходящим универсальным стандартом считалась ₀=1420.4 Мгц - частота линии 21.1 см, перехода между подуровнями сверхтонкой структуры атома водорода.

Как отмечено в проекте Cyclops [4], наилучшим с точки зрения минимальных суммарных шумов (Галактика + земная атмосфера + реликтовый фон 2.7 K) является диапазон 1-10 ГГц, в который попадает и частота линии 21 см.

В дальнейшем, после обнаружения природных космических источников мазерного радиоизлучения OH (=18 см) центр тяжести несколько сместился с линии 21 см в сторону более высоких частот, к частотам линий OH на волне 18 см. Впервые в статье Оливера [8] указано, что в пределах упомянутого интервала 1-10 ГГц весьма перспективно для SETI "водяное окно", участок электромагнитного спектра от 1400 до 1720 МГц. Этот участок ограничен частотами линий OH с одной стороны и линией 21 см с другой. Атом H и радикал гидроксила OH -- продукты диссоциации молекулы воды: H + OH = H₂O. По этой причине для любой цивилизации с жизнью на водной основе частотный диапазон "водяного окна" должен быть выделенным и иметь "магическое" значение. Обзор NASA HRMS (High-Resolution Microwave Survey) [2] уделяет основное внимание именно частотам "водяного окна", а также диапазону вблизи 8500 МГц.

Имеются и другие соображения по выбору оптимальной частоты для SETI. Перечислим основные частоты, предложенные в диапазоне 1-10 ГГц (полный список этих частот дан в работе [9]).

• Линия 21 см перехода между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния (n=1) атома водорода (₀=1420.4 МГц).
• Частота линии 21 см ₀, умноженная на универсальные константы (, e, 2, ln 2 и т.д.); наблюдения на частоте _0 не совсем удобны из-за мешающего влияния излучения межзвёздного водорода.
• Аналог линии 21 см для трития - изотопической разновидности водорода ³H. Тритий - короткоживущий изотоп с периодом полураспада 12.6 лет, имеет линию сверхтонкой структуры на частоте 1516.7 МГц. Известен как минимум один обзор ближайших звёзд в линии трития [10].
• Частоты линий молекулы гидроксила OH (1612, 1665, 1667 и 1720 МГц).
• "Водяное окно", перекрывающее диапазон между ₀ и частотами линий гидроксила [8].
• Линии переходов тонкой структуры состояния n=2 атома водорода [11]: 6 линий вблизи частот 9852.0, 9875.7, 10029.6, 909.9, 1087.5, 1146.6 МГц.
• Переход тонкой структуры изотопа гелия ³He 8666 МГц.
• Линия формальдегида H₂CO 4830 МГц (=6 см). Линия почти всегда наблюдается в поглощении, даже при отсутствии источников радиоконтинуума в данном направлении, т.е. непосредственно в спектре фонового реликтового излучения с яркостной температурой T_b=2.7 K. Таким образом, частота линии H₂CO - одна из наиболее "холодных" в данном диапазоне для многих участков неба.

За пределами диапазона 1-10 ГГц выделенная частота - безусловно, переход 6₁₆-5₂₃ молекулы воды H₂O на волне 1.35 см (22235 МГц).

В.С.Троицкий [12] одним из первых обратил внимание на возможности, предоставляемые диапазоном миллиметровых волн, т.к. в этом диапазоне, благодаря более высокой направленности передающей и приёмной антенн, можно при той же мощности передатчика осуществить связь на гораздо больших расстояниях. В качестве стандарта для SETI в миллиметровом диапазоне Н.С.Кардашев [13] предложил частоту =203.384 ГГц (=1.47 мм), на которой находится переход сверхтонкой структуры атома позитрония (Ps), короткоживущей структуры, которая может образовываться в ~70% случаев аннигиляций электрон-позитронных пар. Эта частота лежит также вблизи другого естественного стандарта - максимума спектра фонового реликтового излучения с T_b=2.7 K. К настоящему времени выполнены уже два обзора ближайших звёзд на частоте линии позитрония [14, 15].

ИМПУЛЬСНОЕ ОКНО ДЛЯ SETI

С точки зрения различения искусственных сигналов среди естественных шумов возможно, что ВЦ применит импульсную модуляцию позывных радиоволн. Исходя из этого, целесообразно в процессе поиска применять временную селекцию по периоду следования импульсов.

Как считает Салливан [16], вероятнее всего, должны существовать "пангалактические" периоды импульсов, общие для всей Галактики и лежащие, в первую очередь, внутри выделенного "окна" периодов.

На рис. 2 изображено такое "окно", образованное распределением периодов импульсов для галактических пульсаров. Диапазон значений P, попадающих в это окно, весьма широк. Однако, согласно [16], в окне имеются некоторые предпочтительные значения периодов, соответствующие стандартным природным временным константам. В качестве основных из них Салливан приводит следующие (отмечены на рис. 2 стрелками):

1) P₁ = 0.122 с - среднее время жизни атома водорода до совершения им (запрещённого) двухквантового перехода 2s->1s.

Рис.2. Выделенные периоды следования импульсов для SETI (N -- число пульсаров с данным периодом P) [16]; 1, 2, 3, 4 см. текст.

2) Период "солнечного маятника" , где g_o - ускорение силы тяжести на поверхности Солнца, l - некоторая "стандартная" длина маятника, равная длине волны излучаемого сигнала ВЦ, например, 21.1 см. При использовании других длин волн величину P нужно умножить на см. Значение g_o для "подходящих" звёзд солнечного типа (т.е. спектральных классов FGK на главной последовательности) меняется в очень небольших пределах, для которых P₂=0.15-0.18 с, для Солнца P₂=0.17 с.

3) Характерное время радиоактивного распада изотопа бора по реакции ⁸B -> ⁸Be+⁺+, которая представляет собой одно из главных связующих звеньев в протон-протонном цикле ядерных реакций, основном в звёздах солнечного типа; P₃=0.772 с.

4) Время прохождения светом пути, равного радиусу Солнца P₄=R_o/c=2.32 с. Значение R_o может быть получено ВЦ из точных измерений температуры и светимости нашего Солнца.

В качестве стандарта P может быть также принят период какого-либо из наиболее мощных пульсаров солнечной окрестности, как, например, выдающийся пульсар Vela (P=89.2 мс): пульсар находится в остатке вспышки сверхновой и излучает импульсы не только в радио, но также в оптическом и рентгеновском диапазонах. Можно также напомнить, что пульсары - замечательные естественные маяки для какой-либо области Галактики. Пластинка - наше послание для ВЦ, установленная на космических аппаратах Voyager, указывает положение Земли относительно ближайших пульсаров, в условном коде приведены их периоды. Это позволит потенциальным адресатам восстановить не только местонахождение Солнечной системы, но и (с учётом векового возрастания периодов пульсаров) примерное время запуска аппарата.

ВЫБОР МОМЕНТА ДЛЯ ПОИСКА СИГНАЛА

При исследовании "Космического стога сена" обычно действуют по принципу "чем больше, тем лучше". В обзорах всего неба по возможности просматривают одни и те же площадки по нескольку раз. Если обзор направленный, стараются уделить каждой звезде как можно больше времени, отнаблюдать её повторно. Постоянно приходится искать компромисс между полнотой обзора, его чувствительностью и временем исследования каждого направления на небе. Однако, всегда имеется вероятность пропуска сигнала от какого-либо потенциального источника ("сигнал от них пришел не тогда, когда мы на них смотрели"). Для того, чтобы уменьшить риск такой ситуации, были предложены варианты "синхронизации" передачи сигналов ВЦ при помощи событий, наблюдаемых всеми ВЦ в окрестностях Солнца. Такая стратегия называется "конвергентной": считается, что ВЦ "земного типа" должны мыслить в примерно одинаковых категориях SETI и передающая ВЦ будет стараться по возможности облегчить соседям поиск и приём сигнала. Заметим, что в плане выбора частоты SETI работа Коккони и Моррисона [7] - первый пример конвергентной стратегии, т.к. частота линии 21.1 см, безусловно, может быть универсальным стандартом для всех цивилизаций.

Впервые конвергентная стратегия, позволяющая выделить на оси времени интервал, наиболее благоприятный для SETI, была предложена П.В.Маковецким [17]. Общим сигналом для передачи позывных ВЦ может служить выдающееся астрофизическое событие, наблюдаемое всеми ВЦ в некоторой области Галактики. В качестве такого события П.В.Маковецкий предложил вспышку Новой Лебедя 1975 г. Когда свет вспышки доходит до ВЦ, она тут же начинает передачу позывных, после чего требуется ещё какое-то время, чтобы радиоволны достигли Земли:
лет.
Здесь R₁+R - длина ломаной Новая--ВЦ--Земля, R_0 - расстояние от Земли до Новой (в световых годах), - угловое расстояние между ВЦ и Новой. Таким образом, в каждый момент времени существует некоторый эллипсоид, на поверхности которого могут быть сосредоточены потенциальные кандидаты SETI. В одном фокусе эллипсоида находится Новая, в другом - Земля. Сечение эллипсоида и пути распространения сигналов показаны на рис. 3. Зная расстояния до звёзд-кандидатов в окрестностях Солнца, из приведённых соображений можно примерно оценить момент приёма синхронизованных Новой позывных от этих звёзд в районе Земли и уделить этим звёздам основное внимание в программе поиска. Со временем эллипсоид расширяется, и нужно будет переходить ко всё более удалённым звёздам-кандидатам.

Рис.3. Синхронизация посылки сигналов внеземными цивилизациями при помощи вспышки Новой звезды.

В развитие идеи [17] было предложено использовать в качестве синхросигналов вспышку Сверхновой 1987A в Большом Магеллановом Облаке [18] и мощные всплески -излучения [19].

Ещё один пример "конвергентной" стратегии. При целенаправленном поиске отбор звёзд-кандидатов и моментов для их наблюдения может быть ещё более ограничен, например, таким образом, как это было сделано в SETI-программе "Зодиак" [20]. Эта программа содержит 29 звёзд, находящихся не далее 25 парсек от Солнца и лежащих вблизи плоскости эклиптики. Идея состоит в том, что ВЦ, которая готовит программу передачи сигналов другим цивилизациям, может в целях экономии энергии производить облучение ближайших "подходящих звёзд" очень узким направленным лучом радиоволн шириной ~ 10_-7 радиан (рис. 4).

Рис.4. Облучение Солнечной системы узким лучом сигнала ВЦ, находящейся вблизи эклиптики.

На расстоянии в десяток парсек это потребует передающей антенны размером около 1000 км, что реально для технически развитой ВЦ. Столь узкий луч может не перекрывать зону, пригодную для обитания в окрестности звезды.

Поэтому представляется разумным направить луч непосредственно на звезду. Если, по счастью, луч лежит в плоскости орбиты планеты принимающей ВЦ, тогда в течение года планета будет на несколько дней попадать внутрь луча. Нужно будет при этом вести поиск облучающих нас ВЦ вблизи плоскости эклиптики в направлении, противоположном Солнцу. Дополнительный аргумент в пользу такой "эклиптической" стратегии: если передающая ВЦ осуществляет поиск планет вблизи других звёзд доплеровским методом (по небольшим вариациям лучевой скорости звезды, вызванным действием планет) [5], то таким образом ВЦ селектирует именно те системы, где доплеровский эффект наибольший, а именно, луч зрения лежит почти в плоскости орбит планетной системы, и мы с большей вероятностью получим послание от такой ВЦ из области нашей эклиптики.

АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ПОЛЬЗА ОТ SETI-НАБЛЮДЕНИЙ

Наблюдения SETI сопряжены с большими затратами телескопного времени. Поскольку, судя по уже проведённым обзорам SETI, вероятность успеха не слишком велика, необходимо в каждом обзоре предусмотреть возможность получения "побочного продукта", т.е. информации, важной с точки зрения астрофизики. Очевидна польза поиска узкополосных сигналов на волне 21.1 см: так, в обзоре SETI =21 см Огайского университета (том самом, в котором был найден в сентябре 1977 г. знаменитый, до сих пор не объяснённый сигнал "Wow!", или по-русски "Ого-го!" [21]), было обнаружено большое количество ранее не наблюдавшихся холодных облаков межзвёздного водорода, излучающих узкие линии 21.1 см, правда, не столь узкие, как ожидалось бы в случае сигнала позывных ВЦ. То же касается наблюдений на частотах молекулярных линий OH (18 см), H₂O (1.35 см) и H₂CO (6 см), в которых всегда можно обнаружить большое число новых естественных объектов. При наблюдениях в миллиметровом диапазоне на частоте позитрония 203.384 ГГц можно захватить также частоту вращательного перехода 3₁₃--2₂₀ изотопической разновидности молекулы воды H₂¹⁸O (203.407 ГГц) и частоту рекомбинационной линии (РЛ) водорода H52e (203.9758 ГГц). В более широких пределах (~20 ГГц) относительно частоты линии позитрония) находится ещё ряд спектральных линий, представляющих астрофизический интерес, в том числе РЛ водорода H40, вращательная линия J=2--1 молекулы CO и её изотопических разновидностей, линии H₂O и DCN. Безусловный интерес представит и обнаружение самой линии позитрония 203.384 ГГц в естественных космических источниках, где может происходить аннигиляция электрон-позитронных пар [22, 23].

Наконец, в заключение стоит упомянуть о возможности сопутствующего режима SETI (по-английски piggy-back mode), когда данные любых радиоастрономических наблюдений попутно анализируются с целью выявления возможных сигналов ВЦ. Вероятность успеха такого совершенно не направленного поиска невелика, но она ненулевая, и режим piggy-back также способствует заполнению хотя бы некоторого объема в необъятном "Космическом стоге сена".

Литература

1. Тартер Дж., "Космический стог сена" и современные программы SETI в США // Проблема поиска жизни во Вселенной. Труды Таллинского симпозиума / Амбарцумян В.А., Кардашев Н.С., Троицкий В.С., ред., Москва: Наука, 1986, с. 220--225.
2. Tarter, J.C. and Gulkis, S., The NASA High Resolution Microwave Survey // Amer. Astron. Soc. Meet., vol. 182, #71.01.
3. The Search for Extraterrestrial Intelligence SETI, breakhfill Proceedings of a NRAO Workshop Held at the National Radio Astronomy Observatory, Green Bank, West Virginia, May 20, 21, 22, 1985, Kellermann, K.I. and Seielstad, G.A., Eds.
4. Oliver, B.M. and Billingham, J., Project Cyclops: A Design Study of a System for Detecting Extraterrestrial Intelligent Life. Prepared under Stanford/NASA/Ames Research Center 1971 Summer Faculty Fellowship Program in Engineering Systems Design, NASA CR1 14445, 1972.
5. Ксанфомалити Л.В., Открытие первых экзопланет // Информационный Бюллетень НКЦ SETI, 1999, N 14, c. 8--28.
6. Soderblom, D. and Latham, D.W., Target selection strategy for NASA's SETI/MOP // Third Decennial US--USSR Conference on SETI / Shostak, G.S., Ed., Astron. Soc. Pacif. Conf. Ser., vol. 47, San Francisco, 1993, pp. 231--248.
7. Cocconi, G. and Morrison, P., Searching for interstellar communications // Nature, 1959, vol. 184, N 4690, pp. 844--846.
8. Oliver B.M., The rationale for a preferred frequency band: the water hole // The Search for Extraterrestrial Intelligence SETI, Morrison, P., Billingham, J., and Wolfe, J., Eds., NASA SP-419, 1977, pp. 63--74.
9. Blair, D.G. and Zadnik, M.G., A list of possible interstellar communication channel frequencies for SETI // Astron. and Astrophys., 1993, vol. 278, N 2, pp. 669--672.
10. Valdes, F. and Freitas, R.A. Jr., A search for the tritium hyperfine line from nearby stars // Icarus, 1986, vol. 65, N 1, pp. 152--157.
11. Gindilis, L.M., Davydov, V.P., and Strelnitski, V.S., New "magic" frequencies for SETI // Third Decennial US--USSR Conference on SETI / Shostak, G.S., Ed., Astron. Soc. Pacif. Conf. Ser., vol. 47, San Francisco, 1993, pp. 161--163.
12. Троицкий В.С., Научные основания проблемы существования и поиска внеземных цивилизаций // Проблема поиска жизни во Вселенной. Труды Таллинского симпозиума / Амбарцумян В.А., Кардашев Н.С., Троицкий В.С., ред., Москва: Наука, 1986, с. 5--20.
13. Kardashev, N.S., Optimal wavelength region for breakhfill communication with extraterrestrial intelligence // Nature, 1979, vol. 278, N 5699, pp. 28--30.
14. Steffes, P.G. and Deboer, D.R., A SETI search of nearby solar-type stars at the 203-GHz positronium hyperfine resonance // Icarus, 1994, vol. 107, p. 215.
15. Mauersberger, R., Wilson, T.L., Rood, R.T., Bania, T.M., Hein, H., and Linhart, A., SETI at the spin flip frequency of positronium // Astron. and Astrophys., 1996, vol. 306, N 1, pp. 141--144.
16. Sullivan, W.T., III, Pan-galactic pulse periods and the pulse window for SETI // Bioastronomy: The Search for Extraterretrial Life / Heidmann, J., Klein, M.J., Eds., Berlin: Springer-Verlag, 1991 (Lecture Notes Phys., vol. 390), pp. 259--268.
17. Маковецкий П.В., Новая Лебедя -- синхросигнал для внеземных цивилизаций? // Астрон. журн., 1977, т. 54, N 2, с. 449--451.
18. Lemarchand, G.A., Passive and active SETI strategies using the synchronization of SN 1987A // Astrophys. and Space Sci., vol. 214, N 1--2, pp. 209--222.
19. Corbet, R.H.D., The use of gamma-ray bursts as direction and time markers in SETI strategies // Publ. Astron. Soc. Pacific, 1999, vol. 111, N 761, pp. 881--885.
20. Filippova, L.N., Kardashev, N.S., Likhachev, S.F., and Strelnitskij, V.S., On the Strategy of SETI // Bioastronomy: The Search for Extraterrestrial Life / Heidmann, J., Klein, M.J., Eds., Berlin: Springer-Verlag, 1991 (Lecture Notes Phys., vol. 390), pp. 254--258.
21. Kraus, J.D., We wait and wonder // Cosmic Search, 1979, vol. 1, N 3, p. 31.
22. Кардашев Н.С., Новиков И.Д., Полнарев А.Г., Штерн Б.Е., "Гамма-пушка" в центре Галактики // Астрон. журн., т. 60, N 2, с. 209--219.
23. Burdyuzha, V.V. and Kauts, V.L., Positronium in space: proposal for detection // Astrophys. and Space Sci., 1998, vol. 258, p. 329.