На протяжении десятилетий исследователи внимательно изучали космическое пространство, стремясь зафиксировать радиосигналы от внеземных цивилизаций. Однако, недавно возникла новая гипотеза, объясняющая, почему обнаружить эти послания оказывается затруднительно. Согласно результатам недавнего исследования, основная сложность заключается не в огромных расстояниях, а в условиях, существующих вблизи звездной системы, являющейся источником сигнала. Плазма, потоки заряженных частиц и турбулентность межпланетной среды способны искажать узконаправленные радиолучи, превращая их в широкополосный шум, который существующие алгоритмы поиска внеземного разума (SETI) не распознают. Таким образом, сигналы из далеких уголков Вселенной могли не достичь нас.
Институт SETI и другие похожие организации многие годы пытаются найти признаки разумной жизни за пределами Земли. Один из главных критериев поиска — прослушивание космоса в радиодиапазоне (хотя сегодня параллельно ищут и другие техносигнатуры в оптическом и инфракрасном диапазонах). Исследователей интересуют сигналы с признаками искусственного происхождения — то есть такие, которые нельзя убедительно объяснить естественными астрофизическими процессами.
Обычно охотятся за узкополосными радиосигналами — посредством электромагнитных волн, спектр которых имеет ширину около одного герца, и эти волны характеризуются узкой полосой частот, а также высокой интенсивностью, резко контрастирующей с космическим фоновым излучением.
В космическом пространстве преобладающие источники излучают сигналы в широком диапазоне частот. Для передачи узкополосного сигнала требуется минимальное количество энергии от передатчика, и такие сигналы редко возникают в результате естественных процессов, поэтому они рассматриваются как возможный признак искусственного происхождения. Следует также учитывать, что некоторые источники, такие как космические мазеры, могут излучать относительно узкие линии, но их физика, характеристики и происхождение хорошо изучены.
Новое исследование показало, что сигналы от потенциальных внеземных цивилизаций, направляющиеся к Земле, могут искажаться из-за факторов, которые ранее не принимались во внимание учеными. Это приводит к тому, что изначально ясный и хорошо заметный сигнал размывается, теряет свою четкость и становится труднее различимым, что может привести к тому, что телескопы интерпретируют его как обычный космический фон. Подробности исследования представлены в научной статье, опубликованной в издании The Astrophysical Journal.
При анализе данных радиоастрономы принимают во внимание воздействие межзвездной среды на возможные сигналы. Речь идет о разреженной пыли и газе, которые заполняют промежутки между звездами в пределах галактики. Влияние этой среды на радиоволны с узкой полосой частот было изучено и оценено ранее. Ученые полагают, что подобные искажения незначительны, благодаря чему современные детекторы могут их регистрировать.
Однако по мнению Вишала Гаджара (Vishal Gajjar) и Грейса Брауна (Grayce Brown) из Института SETI радиоастрономы не принимают во внимание важный аспект. Они не рассматривают воздействие на сигнал самого сложного этапа, через который он проходит, двигаясь к Земле, — экзомежпланетную среду (Exo-IPM) — это область в пределах планетной системы, где предположительно находится планета, являющаяся источником сигнала. Условия в этой области значительно отличаются от межзвездной среды. Здесь присутствует плазма и потоки заряженных частиц, постоянно подвергающиеся воздействию звездного ветра.
Чтобы выяснить, подвержен ли сигнал искажениям в подобных условиях, Гаджар и Браун провели проверку до выхода за пределы межзвездного пространства и определили степень возможных искажений. В Солнечной системе существует аналогичная среда, известная как межпланетная среда. Для оценки влияния на сигнал ученые сначала проанализировали воздействие потоков плазмы на радиосигналы космических аппаратов внутри нашей системы, а затем применили полученные расчеты к другим планетным системам.
Согласно проведенному анализу, радиоволна шириной в один герц, излучаемая передатчиком и распространяющаяся через внепланетную среду, подвергается воздействию случайных колебаний плотности электронов. Плазма, присутствующая внутри планетной системы, характеризуется неравномерным распределением и движется с высокими скоростями. Проходя через эти динамические неоднородности, радиоволна испытывает изменения фазы.
С позиции физики данный процесс характеризуется наличием большого количества микроскопических доплеровских сдвигов. Это приводит к возникновению явления, известного под определенным названием доплеровским уширением. Первоначально представляя собой крайне узкий пик на графике частот, сигнал трансформируется в более широкий профиль, характеризующийся снижением интенсивности.
Общая энергия сигнала не утрачивается, а лишь перераспределяется между близлежащими частотами. Исходный сигнал шириной в один герц, пройдя через турбулентную экзомежпланетную среду, может расшириться до 10 герц. Поскольку энергия распределяется по большей ширине полосы частот, пиковая мощность на одной конкретной частоте снижается приблизительно в 10 раз. Следовательно, амплитуда сигнала уменьшается в 10 раз, при этом полная энергия остаётся неизменной.
При увеличении частоты, скажем, до 50 герц, максимальная мощность снизится приблизительно в 50 раз, а при 100 герцах – почти в 100 раз. В связи с этим, стандартные алгоритмы, используемые в программах поиска внеземного разума, распознают такой сигнал как обычный фоновый шум, поскольку они сконфигурированы для игнорирования сигналов, занимающих полосу частот более нескольких герц.
Данные физические факторы приобретают особенное значение, принимая во внимание строение звездного населения нашей галактики. Около 75% звезд Млечного Пути относятся к классу красных карликов (спектральный класс М). Их яркость значительно уступает солнечной. В связи с этим зона обитаемости — зона, в пределах которой на планете возможна жидкая вода — находится на значительно меньшем расстоянии от звезды.
Большое количество экзопланет, которые могут быть пригодны для жизни, вращаются по орбитам, расположенным очень близко к своим звездам, в особенности к красным карликам. Ярким примером являются планеты системы TRAPPIST-1. Орбиты этих объектов располагаются на расстоянии от 0,01 до 0,06 астрономической единицы от звезды.
Согласно результатам анализа, близость расположения приводит к тому, что любой радиосигнал, исходящий с поверхности подобных миров, обязательно проходит через наиболее густые области плазмы внутри планетной системы. В этих областях влияние межпланетной среды на радиоволны проявляется в максимальной степени.
Для определения объема проблемы Гаджар и Браун выполнили численное моделирование методом Монте-Карло. Был проведен анализ данных о миллионе ближайших звезд. В состав выборки вошли примерно 25% звезд, схожих с Солнцем, и 75% – красные карлики. При расчете учитывались случайные параметры планетных орбит, такие как эксцентриситет, наклон орбиты, истинная аномалия и большая полуось.
Анализ выявил существенные недостатки в существующих подходах к поиску сигналов.
При изучении сигналов на частоте в один гигагерц у более чем 70% систем наблюдалось значительное расширение спектра, а в 30% случаев ширина сигнала превышала 10 герц. В связи с этим, стандартные алгоритмы, используемые в программах SETI, не могут идентифицировать такие сигналы.
Ухудшение ситуации проявляется особенно заметно на низких частотах. Эффект усиливался при наблюдениях, проводимых на частоте около 100 мегагерц. Для современных радиотелескопов, функционирующих в этом диапазоне, данная проблема приобретает особую актуальность. К ним относятся такие инструменты, как LOFAR, MWA и строящийся массив SKA-Low. Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что в приблизительно 60 процентах систем сигнал увеличится свыше 100 герц.
Ученые обратили внимание на дополнительную сложность. Ранее из-за недостаточной мощности вычислительных систем и программ не удавалось выделить полезные сигналы на фоне космического шума. Однако теперь положение улучшается: компьютеры становятся более производительными, а технологии искусственного интеллекта позволяют оперативно обрабатывать большие массивы информации.
Ученые полагают, что через несколько столетий технологический прогресс может быть настолько значительным, что современные устройства и подходы покажутся устаревшими. В результате, в перспективе появится возможность обнаруживать искусственные сигналы – при условии, что они существуют – которые на данный момент остаются недоступными для регистрации.