1.3. О возможности приема телевизионных сюжетов из М31.

Миронов С.В., ГАИ МГИШ

В научно-фантастическом романе И.А.Ефремова «Туманность Андромеды» есть сюжет: некая внеземная цивилизация, входящая в «Великое Кольцо» - информационное объединение цивилизаций Галактики - ретранслирует нашей цивилизации телевизионную передачу, принятую ими из соседней галактики - Туманности Андромеды (М31). В то время автору, как и многим другим читателям, это казалось абсолютно фантастичным - расстояние до М31 составляет около 2 миллионов световых лет ( ≈ 2х1019 км), а дальность уверенного наземного телевизионного приема составляла лишь десятки километров. Однако изложенные ниже оценки автора способны, как он надеется, поколебать фантастичность идеи Ивана Антоновича.

Требования к одностороннему телевизионному сигналу:

1. Достаточно простой алгоритм перевода сигнала в изображение;

2. Хорошее качество сигнала и, соответственно, изображения;

3. Техническая реализуемость передающей и принимающей систем.

Автор полагает, что телевизионный сигнал с частотной манипуляцией по яркости удовлетворяет требованиям 1 и 2 (рис.1). Тогда при 700 точках в строке, 500 строках и 30 кадрах в секунду мгновенная полоса пропускания приемника составит 700х500х30 ≈ 10 МГц, а время передачи одной точки  ~10-7 сек (0.1 мксек). Тогда при 100 градациях яркости общая полоса приема 10 МГц х 100 = 1 ГГц. Однако межзвездная среда вносит искажения в передаваемый сигнал, поскольку время распространения электромагнитной волны зависит от концентрации электронов, пути волны и ее частоты.

Относительная задержка сигнала точки при δF=1ГГц может составить δT=1.34х10-3F-2nL(2δF/F)=2х10-8 сек (0.2 длительности точки) при достаточно условных n=0.1 см-3, L=20 кпс (коротационный диаметр  М31) и F=1012 Гц

(λ=0.3 мм), что представляется вполне терпимым, поскольку такую задержку довольно просто компенсировать принимающей стороной. Однако использование более длинных волн, как будет понятно в дальнейшем, может вызвать серьезные проблемы у принимающей стороны, а более коротких (например, углекислотных лазеров на 10.6 мкм) - неприемлемое увеличение требуемой для телесвязи мощности передатчика.

Представляется, что передающая сторона может использовать гармонику уединенной, одиночной и сильной природной линии, известной и принимающей стороне, например, линии формальдегида 6.21 см/22х2х2  ≈ 0.24 мм.

Допустим, что стратегия передачи ВЦ-планеты в М31 заключается в поочередной передаче телевизионного сюжета длительностью ~ 300 сек (пять минут) любому, неизвестному ей адресату (адресатам) в нашей галактике каждые 50 лет, т.е. каждое поколение адресатов может получить свое послание. Тогда при видимом угловом размере нашей Галактики ~1.5х10-4 стер требуемая направленность луча от ВЦ-планеты - 3х10-11 стер (1"х1").

При длине волны 0.24 мм только квантовые шумы составят около 350К, а с учетом шумов приемника - около 700К или 10-20 Вт/Гц. Тогда при мгновенной полосе в 107 Гц мощность шумов приемника - 10-13 Вт. Если для нас будет технически возможен диаметр приемной космической антенны не более 100 м (ручная или автоматизированная сборка на орбите), то при отношении сигнал/шум ≈ 10 необходимая плотность мощности сигнала ~ 10-16 Вт/м2. Нетрудно оценить, что при луче в 3х10-11 стер требуемая мощность передатчика (например, на основе лазеров на свободных электронах) должна составлять ~ 1018 Вт, что представляется по разным причинам недостижимым для ВЦ-планеты.

В данном случае единственным вариантом, приемлемым как для умной передающей, так и для сообразительной принимающей стороны, автор считает использование эффекта гравитационной фокусировки радиосигнала Солнцем. Для использования этого эффекта необходимо удалить приемную антенну на космическом аппарате на расстояние более 2000 а.е. в зону гравитационной фокусировки. Единственный подходящий двигатель для такого КА - ионный электроракетный двигатель, запитываемый от ядерной энергетической установки. При удельной массе ЯЭУ около 10 кг/кВт и ее ресурсе в 50 лет конечная скорость КА составит более 400 км/с, а в процессе удаления от Солнца качество приема будет только улучшаться, поскольку кольцевое изображение точечного источника будет все дальше уходить от рефрактирующих плотных плазменных слоев солнечной короны (рис.2), а также будет увеличиваться коэффициент гравитационной фокусировки в связи с улучшением сферичности гравитационного поля Солнца.

Солнце вращается и идеальной гравлинзой не является, но можно ожидать, что при видимом расстоянии источника от поверхности Солнца в ~ 1r коэффициент гравитационного усиления составит примерно 106. Тогда требуемая мощность передатчика составит около 1012 Вт, что даже меньше излучаемой мощности маяка ВЦ (порядка 4х1012 Вт, что совсем немного для ВЦ, освоившей «солнечно-космическую энергетику»), работающего, как полагает автор, на длинах волн 10.5 см (половина длины волны излучения межзвездного атомарного водорода) или 12.42 см (двойная длина волны поглощения межзвездного формальдегида). Очевидно, что обнаружение маяка должно предшествовать приему телесигнала, поскольку диаметр области гравфокусировки невелик - максимум десяток километров, а точно спрогнозировать ее положение (с учетом орбитального движения ВЦ-планеты и смещения Солнца относительно барицентра) с точностью примерно 10-11 рад (10-6") или нескольких километров можно только с помощью космического радиоинтерферометра с переменной базой порядка 105...106 км. Правда, никто не знает величины пространственных флюктуаций электронной плотности в галактической и в межгалактической среде, которая и  определяет величину  рефракции  радиоволн  разной

(~ 10 см и ~ 0.24 мм) длины волны. Тем не менее, передающая сторона может минимизировать возможную ошибку, время от времени посылая сигнал одновременно на двух длинах волн (на ~ 6.21 см и ~ 12.42 см), например, во время регламентных работ на телепередатчике.

Таким образом, телевизионный сигнал из Туманности Андромеды может быть принят лет через 70...120, если будут успешно проведены следующие работы:

1. Поиск маяка в М31 продолжительностью 3...5 лет и стоимостью около 3х105 долл.

2. Разработка и запуск космического радиоинтерферометра - 5 лет и 3х108 долл.

3. Разработка и запуск КА с субмиллиметровым радиоприемником - 10 лет и 3х1010 долл.

4. Полет указанного КА до зоны эффективного приема - 50 лет.

5. Ожидание передачи - 0...50 лет.

Все-таки прав был Иван Антонович!