Анализ работы планетных радаров применительно к SETI и METI
Д. А. Чураков
Получена 5 марта 2009 г.
Планетная радиолокация в течение последних 50-ти лет является важной частью технологической деятельности человечества. Излучение планетных радаров носит направленный характер, его легко обнаружить на межзвездных расстояниях и поэтому определение характеристик подобного технологического излучения представляет интерес как для построения стратегий поиска внеземных цивилизаций с помощью средств радиоастрономии (SETI), так и для программ отправки радиосообщений к другим звездам (METI или “Active SETI”).
Ключевые слова: планетарная радиолокация, поиск внеземных цивилизаций, межзведная связь.
Человечество достаточно давно является источником радиоизлучения в Солнечной системе и за ее пределами. Первые шировещательные радиостанции начали работу 100 лет назад, позже к ним присоединилось телевидение, спутниковая, мобильная связь и радары всевозможного назначения. Радиоизлучение стало неотъемлемым проявлением нашей деятельности и самого нашего существования, причем проявлением космического масштаба. Радиоволны, покинувшие Землю десятки лет назад, к настоящему моменту преодолели такое же количество световых лет и оставили позади немало ближайших звезд. Но означает ли это, что границы нашего присутствия во Вселенной достигли межзвездных расстояний? Скорее нет, чем да.
Подавляющее большинство земных радиоисточников излучают всенаправленно и поэтому их сигналы трудно зарегистрировать на больших расстояниях. Для приемной антенны c эффективной площадью Sr, находящейся на расстоянии R от источника радиоизлучения, отношение сигнал/шум (SNR) определяется формулой
(1)
где k - постоянная Больцмана, Tшум – суммарная шумовая температура приемной системы, Δf – ширина полосы излучения, EIRP – эквивалентно-изотропная излучаемая мощность радиоисточника (ЭИИМ). Исходя из этой формулы, можно оценить предельную дальность обнаружения различных типов технологического радиоизлучения Земли некоторыми современными и перспективными системами. Результаты таких оценок для 70-м антенн сети дальней космической связи (DSN), радиотелескопа Аресибо и разрабатываемой системы Square Kilometre Array (SKA) приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Источник излучения
Частота, МГц
Ширина полосы
Tшум, К
ЭИИМ
Дальность обнаружения при SNR=10
DSN
Аресибо
SKA
FM-радиостанция
90
100 кГц
430
5 МВт
2.4 а.е.
7.6 а.е.
44 а.е.
ТВ-станция (телесигнал)
500
6 МГц
50
5 МВт
1.1 а.е.
3.5 а.е.
20 а.е.
ТВ-станция (несущая)
500
0.1 Гц
50
5 МВт
0.13 ly
0.4 ly
2.3 ly
Метеорадар
2800
1 МГц
40
30 ГВт
0.005 ly
0.015 ly
0.09 ly
Планетный радар (Аресибо)
2380
0.1 Гц
40
1 ТВт
70 ly
210 ly
1200 ly
Как видно, область устойчивого приема земных передач простирается не далее ближайших окрестностей Солнечной системы, а на больших межзвездных расстояниях единственно обнаружимым остается только излучение планетных радаров. Данный факт существенен с точки зрения программ поиска внеземного разума (SETI), поскольку наиболее заметным проявлением других цивилизаций в радиодиапазоне также может оказаться излучение планетных радаров и поэтому определение общих характеристик подобного технологического излучения приобретает большое значение.
Планетные радары: характеристики и статистика.
История планетных радаров в современном их понимании начинается в конце 50-х годов 20-го века, когда были предприняты попытки получить отраженный сигнал от ближайших планет. Первые сеансы радиолокации Венеры состоялись в 1958-1959 годах в Миллстоун Хилл и Джодрелл Бэнк. Все эти попытки были неудачны, но именно они положили начало эре планетных радаров, которая таким образом насчитывает уже 50 лет.
Более масштабное и систематическое зондирование планет Солнечной системы началось в 1960-х годах, когда для обеспечения экспедиций межпланетных зондов были введены в строй станции дальней космической связи. Из них в качестве планетных радаров в США использовалась станция DSS-13 “Venus” c 32-метровой антенной в Голдстоуне, а в СССР – евпаторийский комплекс АДУ-1000, с оригинальной системой из 8-ми 16 метровых антенн (рис.1). Позднее в США и СССР были созданы антенны диаметром 64-70 метров, которые после нескольких модернизаций используются и в настоящее время. Важный вклад в радарные исследования также внесла ионосферная обсерватория Аресибо с уникальной неподвижной антенной диаметром 300 м. Ее описание, как и историю развития планетной радиолокации в целом можно найти в ретроспективе [1], а также в [2]-[4], а здесь же ограничимся кратким перечислением некоторых технических характеристик наиболее используемых планетных радаров.
Рис.1. Антенный комплекс АДУ-1000 в Евпатории
Таблица 2.
Радар
Годы работы
Размер антенны, м
Мощность передатчика, кВт
Рабочие частоты, МГц
Размер луча, угл.сек
Евпатория
АДУ-1000
1961-1985
32x64
64–100
769
2500x1250
РТ-70
>1978
70
200
5010
180
Аресибо
AIO
1964-1974
305
200
430
470
>1974
305
900
2380
85
Голдстоун
DSS-13
1962-1966
32
150
2388
810
DSS-14
>1966
64 (70)
400
2388 и 8510
370 и 100
Интенсивность работы планетных радаров в разные годы определялась как научными задачами, так и сугубо экономическими и политическими причинами. В целом прослеживается несколько максимумов, последний из которых приходится на 1990-2000 годы, когда применение больших ПЗС-матриц в обзорных исследованиях неба привело к массовым открытиям небольших околоземных астероидов и соответственно к радарным исследованиям этих астероидов. Всего в доступных источниках [5-7] содержатся данные по ~1400 сеансам радиолокации объектов Солнечной системы, что, видимо, составляет не менее половины от их общего количества за все 50 лет.
Рис.2. Покрытие неба засветкой планетных радаров. Синие точки – сеансы работы радара Голдстоуна, красные – Аресибо, зеленые – Евпатории.
Распределение всех сеансов радиолокации на небесной сфере представлено на рис.2. Распределение существенно неоднородно: по географическим причинам не охвачена южная часть неба, а 65% всех сеансов радиолокации приходится на область в пределах 10° от плоскости эклиптики.
Планетные радары с точки зрения SETI.
Суммарная статистика по всем 1400 сеансам радиолокации позволяет смоделировать важные характеристики направленного технологического излучения цивилизации типа земной. Общая площадь участков, попавших в лучи планетных радаров за 50 лет, равна S=2.2·10-2 ср или примерно 0.2% всей небесной сферы.
Сколь ни мала эта величина, существует определенная вероятность того, что в лучи радаров попадет какая-нибудь звезда. Возможна и обратная ситуация – наша Земля окажется в луче радара иной цивилизации. При аналогичной интенсивности использования радаров и изотропном распределении радарной “засветки” по небесной сфере можно оценить вероятность такого события, она составляет
год-1. Величина исключительно небольшая, но огромное количество звезд в галактике позволяет смотреть на проблему с оптимизмом и поиски таких технологических сигналов ведутся.
В настоящее время наиболее перспективными в данном направлении выглядят исследования с помощью антенной решетки Аллена (Allen Telescope Array, ATA) [8]. Сейчас АТА состоит из 42 антенн диаметром 6 метров каждая, он может просматривать участок неба площадью 2.5 кв. градуса, либо перестраивать антенную диаграмму и наблюдать одновременно несколько небольших участков с большей чувствительностью. Важной особенностью АТА является возможность регистрации узкополосных сигналов в диапазоне частот от 0.5 до 11 ГГц, что делает его наиболее подходящим инструментом для поиска и обнаружения радиоизлучения других цивилизаций.
В рамках SETI на АТА планируются наблюдения 2-х типов: целенаправленный поиск радиоизлучения от нескольких перспективных звезд и обзоры больших участков неба в районе галактической плоскости и балджа галактики. Второй вариант наиболее интересен в плане поиска “радарного” излучения. В этом случае в поле зрения синтезированных лучей ATA в течение длительного времени будет находиться большое число звезд (до 105...106 согласно [9]), а, значит, шансы на обнаружение искусственных сигналов могут быть достаточно велики. Используя вышеприведенную вероятность p1, можно оценить потенциальное число “интересных” событий как
, (2)
где Nцив – общее число радиоизлучающих цивилизаций, оказавшихся в синтезированных лучах ATA, t – суммарное время наблюдения. Пусть возле каждой звезды имеется по одной цивилизации, тогда для t=5 лет и числа звезд в луче N=106 получаем Nсоб ~ 102 . Эта величина является максимальной оценкой сверху, фактическое число событий будет гораздо меньшим, если не тождественно нулевым. Но даже и в этом случае наблюдения ATA дадут первую количественную оценку распространенности цивилизаций земного типа в нашей галактике.
Планетные радары с точки зрения METI.
Концепция отправки сообщений к соседним звездам с целью установления контакта, известная также как METI (Messaging to Extraterrestrial Intelligence) [10-11], получила в последнее время достаточно большое развитие и признание – более десятка посланий ушло в космос, из них некоторые направлены к звездам с известными планетными системами. Сеансы работы планетных радаров также могут рассматриваться, как своеобразные призывы установить контакт. Пускай они и не несут никакой полезной информации, несомненная искусственность сигнала может вызвать интерес к нашему Солнцу у иных цивилизаций, если таковые окажутся в луче радара.
Основным минусом данного подхода является нецеленаправленность передач. Во время работы радара луч наводится на объект зондирования, а будут ли на его пути звезды, тем более близкие – дело случая. Впрочем, общее число “засвеченных” звезд может быть довольно значительным. Исходя из средней концентрации звезд в окрестностях Солнца ~0.2 пк -3 и общей площади “засветки” ~0.2% всей небесной сферы можно оценить, что за 50 лет в лучи радаров попало до 1000 звезд, удаленных на расстояние до 100 пк.
Более подробное исследование на эту тему было проведено с помощью службы высокоточных эфемерид HORIZONS [12]. Для каждого из 1400 сеансов с помощью HORIZONS определялась траектория движения по небу объекта локации (планеты, астероида или кометы) и далее по заданному каталогу звезд проверялось, не попала ли какая из них в луч радара. В качестве базового использовался каталог HIPPARCOS [13], содержащий информацию по параллаксам и собственным движениям 120000 звезд. В качестве вспомогательных использовались еще 2 каталога: HABCAT, состоящий из 17000 потенциально обитаемых звезд, отобранных для исследования в рамках текущих и будущих проектов SETI (подробности в [14]) и список из 262 звезд с известными планетными системами.
Всего было выявлено несколько сотен событий, когда звезда попадала в луч радара, часть из них приведена в приложении 1. В списке значатся несколько потенциально “обитаемых” звезд, но ни одной звезды с известными (на 2008 год) экзопланетами. Продолжительность событий меняется в широких пределах и зависит от угловой скорости объекта локации в момент зондирования. Для удаленных объектов, таких как планеты и астероиды основного пояса, она может достигать десятков минут и часов, для околоземных астероидов (NEA, Near-Earth Asteroid), наблюдаемых во время сближения на расстояниях до 0.1 а.е., продолжительность события обычно не превышает 2-3 минут. Фактическое же время излучения сигнала в сторону звезды определяется режимом работы радара. В моностатической схеме, когда одна и та же антенна используется и для передачи и для приема сигнала, периоды излучения чередуются с периодами приема радиоэха. Длительность каждого периода определяется временем прохождения сигнала до объекта и обратно, и, например, для Венеры возле нижнего соединения составляет около 5 минут. В зависимости от режима работы радара и других обстоятельств к звезде может уйти один продолжительный сигнал, серия коротких или никакого сигнала вообще. К сожалению подробности работы радаров в источниках указываются далеко не всегда, каждый конкретный случай надо тщательно перепроверять по первоисточникам и для простоты здесь и всюду далее приводится максимально возможное время нахождения в луче.
Закономерен вопрос о принципиальной возможности обнаружения иной цивилизацией нашего технологического сигнала. Размер приемной антенны, необходимой для регистрации излучения планетного радара, можно определить из модифицированной формулы (1)
(3)
где SNR – соотношение мощностей сигнала и флуктуации шума, R - расстояние до звезды, l - длина волны, P - средняя мощность излучения, S1 и S2 - эффективные площади передающей и приемной антенн, k - постоянная Больцмана, Tшум - шумовая температура приемной системы, t – время когерентного накопления сигнала, T - время некогерентного накопления сигнала, n=T/t - количество независимых оценок некогерентного накопления.
По этой формуле был вычислен необходимый размер приемной антенны для каждого обнаруженного события. Шумовая температура принималась равной Tшум=100 К, SNR=10, t=1 с, а T приравнивалось к продолжительности нахождения звезды в луче. Результаты приведены в последней колонке таблицы приложения 1. Как видно, для обнаружения сигнала во многих случаях достаточно антенны аналогичной по размерам радиотелескопу Аресибо. Таким образом, регистрация возможна, хотя вероятность того, что антенны другой цивилизации будут в нужный момент слушать именно Солнце и именно возле нужной частоты, следует признать весьма малой.
Другой интересный вопрос связан с временем получения возможного ответа, если сигнал нашего радара все-таки будет обнаружен и на него последует какая-то реакция. Как показывает анализ, в лучи радаров попадали по большей части далекие звезды, находящиеся на расстояниях во многие сотни световых лет, и поэтому основную массу ответных сигналов следует ожидать не ранее 24-25 веков н.э. Тем не менее имеется случай, когда сигнал ушел к близкой звезде.
13 мая 1977 года во время зондирования Венеры с помощью планетного радара АДУ-1000 в Евпатории в луче оказалось сразу 2 близкие звезды. Звезда HIP 3829 прошла по самому краю луча и в боковых лепестках антенной диаграммы и интересна прежде всего небольшим удалением от Солнца. HIP 3829 – звезда ван Маанена, ближайший белый карлик, находится на расстоянии всего в 14.4 световых лет. Это могло бы представлять интерес с точки зрения METI (дата получения возможного ответа – 2006 г.), если бы не тот факт, что белые карлики, в особенности такие холодные и старые, как звезда ван Маанена (ее возраст оценивается в 10 млрд. лет), едва ли могут рассматриваться как подходящее место для поиска разумной жизни.
Рис.3 Схема события 13 мая 1977 года. Полупрозрачной заливкой показан луч радара АДУ-1000, стрелками – звезды HIP 3765, HIP 3829 и Венера.
Другая близкая звезда, оказавшаяся в тот момент в луче, носит обозначение HIP 3765 (или же HD 4628, GJ 33) и удалена от нас на расстояние 24.3 световых года. Это оранжевый карлик с массой 0.8·Msun, светимостью 0.24·Lsun и небольшой металличностью. HIP 3765 включена в HABCAT, как потенциально обитаемая, хотя планет у нее пока не обнаружено. Ввиду малого удаления звезды и большой продолжительности пребывания ее в луче радара требования к антенне, необходимой для регистрации нашего сигнала, достаточно умеренны. Сигнал можно в принципе обнаружить с помощью аналога радиотелескопа Аресибо, но был ли он в действительности кем-либо услышан, мы узнаем не ранее 2026 года.
ЛИТЕРАТУРА
- Butrica A. To see the unseen: A history of planetary astronomy, 1996, NASA History Series
- Радиосистемы межпланетных космических аппаратов. Под ред. А. С. Винницкого, «Радио и Связь», М., 1993.
- Deep Space Network Homepage , http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsn
- Arecibo Observatory Homepage , http://www.naic.edu
- Данные по радиолокации планет радарами Голдстоуна с Planetary Ephemeris Data , http://iau-comm4.jpl.nasa.gov/plan-eph-data/index.html#radar
- Данные по радиолокации планет радарами Евпатории с Russian Radar Ranging of Planets (1962-1995) , http://www.ipa.nw.ru/PAGE/DEPFUND/LEA/ENG/rrr.html
- Данные по радиолокации астероидов радарами Аресибо и Голдстоун с Radar Astrometry Data , http://ssd.jpl.nasa.gov/?radar
- Allen Telescope Array Homepage , http://www.seti.org/Page.aspx?pid=503
- David R. DeBoer The Allen Telescope Array: commensal and efficient SETI, 2004, IAC-04-IAA.1.1.1.03
- Зайцев А.Л. Радиовещание для внеземных цивилизаций. Информационный бюллетень SETI, № 15, 1999, с. 31-47. См. также: http://www.cplire.ru/rus/ra&sr/article1.html
- Zaitsev A. Sending and Searching for Interstellar Messages. Acta Astronautica, vol. 63 (2008), pp. 614–617. См. также: http://arxiv.org/abs/0711.2368v1
- HORIZONS System , http://ssd.jpl.nasa.gov/?horizons
- Hipparcos Input Catalogue, Version 2, I\196 , http://cdsarc.u-strasbg.fr/viz-bin/Cat?I/196
- M. Turnbull and J. Tarter. Target Selection for SETI: 1. A Catalog of Nearby Habitable Stellar Systems, arXiv:astro-ph/0210675v1
Приложение 1.
Потенциальные “METI-события”, имевшие место при радиолокации планет и малых тел Солнечной системы в 1962-2007 годах.
В таблице приведены некоторые случаи попадания звезд в лучи планетных радаров. Для каждого события указаны следующие данные:
- Объект радиолокации, дата сеанса, максимально возможная продолжительность нахождения звезды в луче Tmax в минутах
- Наименование радара (“A” –Аресибо, “E” – Евпатория, “G” – Голдстоун, “H” – Хейстек) и его рабочая частота в этом сеансе.
- Обозначение звезды, попавшей в луч, по каталогу HIPPARCOS, расстояние до нее в световых годах и является ли она потенциально обитаемой по критериям каталога HABCAT.
- Класс антенны, необходимой для регистрации сигнала, достигшего этой звезды, и год прибытия возможного ответа (не ранее чем). “ADU” – небольшая антенна типа евпаторийской АДУ-1000, “DSN” – аналог антенн сети дальней космической связи, ”AR”– аналог радиотелескопа Аресибо, “SKA” – антенная система, сопоставимая с Square Kilometre Array.
Объект локации
Событие
Радар
Звезда
Дата
Tmax , мин
ID
f, МГц
HIP
L, св.год
Тип
Ответ
Антенна
Венера
1977-May-13
20,
E
769
3829
14,36
2006
AR
Венера
1977-May-13
247,
E
769
3765
24,32
HAB
2026
AR
1566 Icarus
1968-Jun-14
1,49
G
2388
66578
80,83
2130
AR
Венера
1977-Mar-24
79,9
E
769
5763
99,94
HAB
2177
SKA
29075 (1950 DA)
2001-Mar-04
3,46
G
8560
89656
103
HAB
2207
ADU
1566 Icarus
1968-Jun-14
8,74
G
2388
67109
143,8
2256
AR
Венера
1973-Sep-05
169,33
G
2320
64688
143,61
HAB
2261
DSN
Меркурий
1982-Jun-12
288,3
E
769
20542
145,8
2274
SKA
Венера
1975-Sep-07
166,75
E
769
48273
149,68
2275
SKA
2006 UQ17
2007-Feb-01
0,74
A
2380
86950
143,99
2295
AR
Марс
1971-Aug-24
309,1
E
769
104864
161,95
2295
SKA
Венера
1971-Apr-04
15,6
G
2320
111910
167,27
HAB
2305
AR
2003 SR84
2003-Sep-27
0,99
G
8560
22044
157,26
2318
DSN
Меркурий
1982-May-29
21,52
E
769
22350
168,91
2320
SKA
Венера
1970-Oct-05
158,34
E
769
74229
185,86
2342
SKA
Венера
1970-Nov-04
176,33
E
769
74229
185,86
2342
SKA
Марс
1971-Aug-25
196,59
E
769
104764
194,98
HAB
2361
SKA
101955 (1999 RQ36)
2005-Sep-19
7,07
G
8560
24923
178,53
2363
DSN
Венера
1980-Feb-21
183,42
E
769
4014
194,05
2368
SKA
1566 Icarus
1968-Jun-14
3,54
H
7840
69738
202,11
HAB
2372
SKA
1566 Icarus
1968-Jun-14
7,96
G
2388
69738
202,11
HAB
2372
AR
Венера
1973-Mar-28
138
G
2320
1437
200,74
2374
AR
Венера
1982-Jan-30
108,72
E
769
97423
203,75
2389
SKA
2005 OE3
2005-Aug-21
9,33
G
8560
81656
198,3
2402
DSN
Венера
1971-Aug-23
88,52
G
2320
49617
219,09
2410
AR
Меркурий
1982-May-22
144,96
E
769
22972
221,47
HAB
2425
SKA
1998 BY7
1998-Feb-21
2,84
G
8510
96264
214,61
2427
AR
Венера
1973-Aug-28
86,15
G
2320
61921
229,9
2433
AR
101955 (1999 RQ36)
1999-Sep-23
2,95
G
8560
30665
246,41
2492
AR
Венера
1969-Apr-22
115,79
E
769
2873
272,8
HAB
2514
SKA
Венера
1980-Mar-01
132,73
E
769
6818
268,98
2518
SKA
Венера
1986-Oct-31
186,15
E
769
72247
268,09
2523
SKA
1990 OS
2003-Nov-11
3,38
G
8560
65951
263,33
2530
AR
Марс
1986-Jul-25
390
E
769
93479
274,87
HAB
2536
SKA
Венера
1973-Mar-27
139,7
G
2320
1397
288,5
2550
AR
Венера
1969-Apr-21
165,58
E
769
3057
301,57
HAB
2572
SKA
1566 Icarus
1968-Jun-15
4,55
H
7840
70791
307,84
2584
SKA
1566 Icarus
1968-Jun-15
8
G
2388
70791
307,84
2584
SKA
Венера
1975-Aug-10
130
E
769
52454
304,39
2584
SKA
Марс
1980-Apr-12
150
E
769
48881
304,96
2590
SKA
Венера
1972-Jul-02
124,13
E
769
24533
311,66
HAB
2595
SKA
2001 EB18
2002-Aug-28
1,88
A
2380
59527
299,63
HAB
2601
AR
1566 Icarus
1968-Jun-14
2,19
H
7840
69721
324,7
HAB
2617
SKA
1566 Icarus
1968-Jun-14
7,74
G
2388
69721
324,7
HAB
2617
SKA
Венера
1980-Apr-02
99,89
E
769
17572
336,78
2653
SKA
Венера
1975-Oct-10
188,61
E
769
50462
339,23
2654
SKA+
2004 DC
2006-Jun-03
1,95
G
8560
1067
332,99
2672
AR
Венера
1975-Sep-14
144,88
E
769
47639
350,91
HAB
2677
SKA+
1990 OS
2003-Nov-12
2,71
G
8560
62059
347,92
HAB
2699
AR
