Почему не обнаружены сигналы внеземных цивилизаций?

Публикуется в разделе "SETI и CETI"

26.05.2010. К настоящему времени укоренилось представление о практически безграничных возможностях внеземных цивилизаций, особенно, в производстве энергии. В частности, принималась как сама собой разумеющаяся возможность создания мощных генераторов для передачи позывных радиосигналов. Однако никто не пытался оценить реальность таких генераторов с точки зрения требований законов физики, биологии и материальных ресурсов цивилизации.

   
   

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЦИВИЛИЗАЦИИ

К настоящему времени укоренилось представление о практически безграничных возможностях внеземных цивилизаций, особенно, в производстве энергии. В частности, принималась как сама собой разумеющаяся возможность создания мощных генераторов для передачи позывных радиосигналов. Однако никто не пытался оценить реальность таких генераторов с точки зрения требований законов физики, биологии и материальных ресурсов цивилизации.

Неограниченные энергетические возможности цивилизации выводились на основе экстраполяции развития земной цивилизации по принципу постоянного развития, которое рассматривалось как непрерывно экспоненциальное. Так, по энергетическому признаку возникло представление о характере развития цивилизации. От цивилизации типа нашей, обладающей энергией в масштабе своей планеты (ВЦ I) и цивилизации, владеющей энергией своей звезды (ВЦ II), до цивилизации, которая овладела энергией своей галактики (ВЦ III).

Становится очевидным, что эта абстрактная схема не дает представления о реальных путях и возможностях развития цивилизации. Действительные пути развития цивилизаций нельзя предсказывать простым экстраполированием современных темпов развития тех или иных параметров нашей цивилизации. Между тем изучение закономерностей развития внеземных цивилизации возможно, если принять два основных положения: во-первых, цивилизация антропоморфна (человекообразна) и основана на технологии и, во-вторых, изучаются предельные возможности развития, допускаемые физическими и биологическими закономерностями и другими ограничениями. Несомненно, к ограничениям нужно отнести и необходимость сохранения окружающей среды, в том числе и околозвездной. По существу – это требование современной биологии и науки о человеке. С такой точки зрения ясно, что использование энергии на планете ограничено величиной допустимого перегрева планеты. В самом деле, наша Земля получает от Солнца непрерывно 1017 Вт энергии, что обеспечивает существующий тепловой режим планеты и действие всех процессов на Земле. Увеличение этой энергии всего на один процент повысит среднюю температуру планеты на 0,8 °С и существенно повлияет на климат, что недопустимо из-за неконтролируемости этих изменений. Итак, предел производства энергии на Земле может составлять не более тысячной доли энергии, получаемой от Солнца, то есть около 1014 Вт. Сейчас производится примерно 1013 Вт, Увеличение энергопроизводства сверх предельного возможно только при освоении пространства около своей звезды и выносе энергетических процессов за пределы планеты обитания. Однако и здесь существует предел. Сохранение условий межпланетной среды не в меньшей, а может быть, и в большей степени необходимо, как и сохранение сложившихся природных условий на планете. Следовательно, недопустимо производство большой дополнительной энергии сверх того, что дает своя звезда. Принимая ту же норму (одну тысячную), получим, что наша Солнечная система может выдержать производство энергии не более 1023 Вт. Это – огромная величина. Однако мы можем не производить другой энергии, а лишь улавливать солнечную и трансформировать ее по своему усмотрению. При этом сколько мы возьмем, столько и возвратим. Если мы заберем энергию полностью, то изменим, перераспределим пространственно и спектрально всю энергию солнечной радиации. Тогда коренным образом изменятся условия среды обитания на планетах и в околосолнечной системе. Вероятно, без ущерба можно использовать не более все той же тысячной доли энерговыхода звезды. Могут возразить, что есть еще и межзвездное пространство, что можно выйти с энергозатратами достаточно далеко за пределы Солнечной системы. Но надо помнить, что всякий вынос процессов и производств в космос от среды обитания требует применения космического транспорта, а это, как оказывается, самый энергоемкий вид деятельности. Простые подсчеты убеждают, что для реального освоения космического пространства около своей звезды необходим транспорт по крайней мере с миллисветовой скоростью (значит, снова потребуется огромная энергия). Перемещение какой-либо массы с такой скоростью заставит сжечь такую же массу водородного горючего в термоядерной реакции. Затраты энергии на космический транспорт могут составить значительную долю солнечной энергии, но они. не должны превышать тысячной доли этой энергии опять-таки из соображений сохранения межпланетной среды и недопустимости ее энергозасорения.

Все же допустим, что будут осваиваться ближайшие звезды. Прежде всего договоримся, что означает термин «осваиваться». Конечно, ни о каком массовом переселении не может быть и речи. Для этого не хватит энергоресурсов всей Солнечной системы. Отдельные экспедиции, даже если найдут подобие нашей планеты, не смогут развиться в цивилизацию, так как не смогут ни удержать все знания, ни развить на их основе технологию. Но если все же вообразить бурное развитие цивилизации около новой звезды, то она и далекая родительская цивилизация не образуют единой цивилизации. Цивилизация как единое целое может функционировать только в том случае, если занимает пространство размерами не более нескольких световых дней, то есть в ближайшей окрестности своей звезды.

Итак, мы приходим к выводу, что максимальное энергопроизводств цивилизации ограничено мощностью своей звезды – около 1023 Вт. Правда, всегда найдется оппонент, который заметит, что импульсно, короткое время, например несколько часов в месяц, можно производить энергию и много большей мощности, не превышая в среднем за все время ее генерации допустимое количество. Нетрудно видеть и здесь ограничения, так как импульсная волна достаточно большой энергии, например порядка солнечной, может нанести серьезные повреждения не только планете, но и космической околозвездной среде. Теперь мы подготовлены к тому, чтобы рассмотреть вопрос о возможности создания в какой-либо внеземной цивилизации достаточно мощного всенаправленного радиомаяка для подачи позывных в пределах своей Галактики.

 

ПРОБЛЕМА ПЕРЕДАЧИ ПОЗЫВНЫХ

 

Есть два пути подачи сигналов, чтобы обратить внимание других цивилизаций на свое существование. Первый – направление сигналов к определенным звездам, второй – всенаправленный сигнал. Очевидно, что второй путь дает существенно большую вероятность обнаружения.

Рассмотрим возможность и условия создания такого всенаправленного радиомаяка, который обеспечил бы максимальную искусственность сигнала и возможность его обнаружения при современной технике приема. Сигнал можно считать искусственным, если он строго монохроматичен, что в естественных условиях не наблюдается. Для передачи и приема должна быть выбрана волна 21 см, известная всем цивилизациям. Простые подсчеты показывают, что для связи нужно излучать во всех направлениях мощность порядка мощности светового излучения средней звезды, то есть 1026 Вт. Чтобы излучить столь большую мощность, антенная система должна быть достаточно велика. Большие размеры антенн совершенно необходимы, чтобы рассеять мощность потерь в ней и в генераторах, которая приводит к нагреву антенны и генератора. Из этого принципиального положения следует, что антенная система маяка .должна состоять из отдельных антенн (расположенных, например, на сфере), которые перекрывают диаграммами направленности все окружающее пространство. В общем случае размеры такой сферической антенной системы будут определяться тем, какую мощность, перешедшую в тепло, нужно удалить из системы. Для размещения антенн нельзя использовать Землю, хотя бы из-за поглощения волн в атмосфере Земли. Несмотря на то, что это поглощение ничтожно – всего 2%, при мощности передатчика 1021 Вт оно приведет к рассеянию в атмосфере Земли 1019 Вт. Это в 100 раз превышает мощность, получаемую Землей от Солнца! В силу сказанного, антенную систему вместе с генераторами необходимо поместить в космосе. Ее охлаждение может осуществляться только излучением, поэтому должно! быть предусмотрены радиаторы, находящиеся в тепловом контакте с антеннами и генераторами. В качестве их будет служить поверхность сферы, где расположены и передатчики. Наконец, такой маяк должен находиться в космосе на достаточно большом расстоянии от планеты обитания, чтобы приходящая от него на Землю энергия была, например, в 1000 раз меньше получаемой от Солнца. Нетрудно подсчитать, что при передатчике в Солнечной системе мощностью 1026 Вт его удаление от Земли должно составить не менее 30 а. е. Иначе говоря, он должен быть вынесен на орбиту Нептуна. Однако, если учесть предельно допустимую биологическую дозу облучения, то вывести его придется гораздо дальше. (См. таблицу.)

 

 

 Дальность передачи, св. лет  10  100  1000  10000
 Необходимая мощность, Вт  2·1012  2·1014  2·1016  2·1018
 Радиус сферической антенны, км  15  150  1500  15000
 Необходимое удаление от Земли, а.е  0,1  1  10  100

 

 

Сделаем расчет необходимых параметров маяка, если прием проводится на антенну с площадью приема А = 200 м2 (диаметр параболоида 20 м) с шумовой температурой приемника Т = 20 К и полосой частот одного канала приема Д = 200 Гц. Всего приемник должен иметь около 104 таких каналов, чтобы перекрыть полосу неопределенности частоты около 2·104 Гц из-за неизвестности относительной скорости приемника и передатчика.

Сделаем теперь расчет основных параметров всенапрввленного маяка на волну 21 см при различных дальностях связи. Примем, что нагрев передающей антенны не превышает Tа = 300К. Возьмем очень высокий КПД генератора (еще не достигнутый в настоящее время) = 0,9, чем заведомо снижаем величину R.

Необходимое удаление маяка от Земли может определяться в принципе двумя условиями. Первое условие – энергетическое. Поток от маяка около Земли, скажем, не превышает тысячной доли от предельно допустимого потока производства энергии. Иначе говоря, он в 106 раз меньше мощности светового потока от Солнца. Второе условие, скорее, биологическое: поток не должен превосходить потока от Солнца на волне маяка. Во втором случае поток от маяка должен составлять на Земле 10-18 полного потока от Солнца. Мы примем среднегеометрическую величину, а именно 1012. Соответственно этому, рассчитано расстояние, при котором поток от маяка будет все же в 106 раз больше потока от Солнца вблизи волны 21 см (в полосе 107 Гц).

Чтобы оценить возможности построения какого-либо реального маяка, рассмотрим сроки постройки маяка для дальности в 1000 световых лет, то есть мощностью 2·1010 Вт и радиусом антенной сферы 1500 км. Для этого оценим величину необходимой энергии космического транспорта. Поскольку сфера должна быть достаточно жесткой и прочной, примем ее средний объемный вес 100 кг/м3. Полная масса металла сферы будет m=1018 т – всего в 15000 раз меньше массы Земли. Транспортировка металла ракетами с миллисветовой скоростью потребует примерно той же массы ядерного горючего. При этом должно быть выделено около  0,007·1036Дж. Как уже говорилось выше, мощность выделения энергии в межпланетной среде, где будет строиться маяк, должна быть существенно меньше мощности излучения звезды. Как мы видим, для Солнечной системы это всего 1023 Вт. При такой мощности космического транспорта, занятого на строительстве антенны, потребуется время, равное 1013 с – около трети миллиона лет! Для генерации мощности 2·1016 Вт необходимо будет сжигать не менее 106 т ядерного горючего в год. Для перевозки его потребуется постоянно действующий транспортный мост. Очевидно, что мощность этого транспорта должна быть существенно больше мощности передатчика. Трудно поверить, что какая-либо цивилизация будет создавать подобные сооружения. Таким образом, не следует ожидать сверхмощных сигналов цивилизаций, посылаемых непрерывно всенаправленным маяком. Скорее, возможна более экономичная посылка направленных сигналов поочередно к выбранным звездам. В этом случае затраты мощности существенно снижаются, но ценой такого же уменьшения времени облучения каждой звезды и, следовательно, вероятности обнаружения.

Из приведенных соображений ясно, что ведя поиск сигналов в расчете на технические средства, требующие от передающей стороны неприемлемо больших мощностей, мы обрекаем себя на неудачу. Применяя недостаточно чувствительные технические средства приема, мы переносим все трудности связи на передающую сторону, и эти трудности оказываются непреодолимыми даже для крайне развитой цивилизации, владеющей термоядерной энергией и космическим транспортом с миллисветовой скоростью. Вот почему мы не наблюдаем искусственных сигналов, которые вправе были бы назвать «космическим чудом». Энергетический уровень «космического чуда» – сигнала, который может быть реально создан, недостаточен для восприятия применяемыми нами средствами обнаружения. Реально расстояние, с которого можно еще наблюдать «чудо» в мощнейшие современные радиотелескопы, составляет, по-видимому, не более 100–1000 световых лет.

Таким образом, вопреки утверждению члена-корреспондента АН СССР И. С. Шкловского о том, что если мы не наблюдаем «космических чудес», то значит в Галактике наша цивилизация единственна, мы говорим, что энергетический уровень «чудес» не может быть достаточно высоким, чтобы его заметили современными средствами. Цивилизаций может быть много, но трудности сигнализации и связи чрезвычайно велики.

Из рассмотренного вытекают определенные выводы о стратегии SETI. Необходимо теоретическое исследование предельных стадий развития цивилизаций, которые определяются физическими и биологическими законами на данном уровне знания. Реальность может только снизить полученные таким образом оценки. Далее, необходимо конкретное проектирование для уточнения предельных энергетических, пространственных, транспортных и других основных характеристик цивилизации. Особенно необходимо проектирование крупных систем обнаружения планет у ближайших звезд, систем маяка для сигнализации и поиска сигналов внеземных цивилизаций и т. п. Все это позволит выработать более правильную стратегию SETI. Расчеты показывают, что необходимо сосредоточиться на поисках сигналов от звезд в радиусе до 100–1000 световых лет, используя для этого (при непрерывном наблюдении) самые большие антенны, многоканальные спектроанализаторы и т. п. В последнее время появились идеи проведения наблюдений в выделенных природой направлениях, например в направлении замечательных объектов Галактики, а также синхронизации начала наблюдений с выдающимися событиями в Галактике, например вспышками новых. Все это повышает вероятность обнаружения. Эти идеи, высказанные недавно советским ученым П. В. Маковецким, по существу аналогичны идее Дж. Коккони и Ф. Моррисона о выделенной природой волне связи в 21 см. Все это будет способствовать повышению вероятности приема сигналов внеземных цивилизаций.

 

В.С. Троицкий

"Земля и Вселенная",1981. №1


Хотите что-то добавить или возразить? Вы можете оставлять свои комментарии прямо здесь или вступить в наши группы ВКонтакте или в Facebook и участвовать в обсуждениях