Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами
В предыдущей главе мы довольно подробно обсуждали возможности радиосвязи между инопланетными цивилизациями. Является ли, однако, радиосвязь единственно возможным видом связи на межзвездных расстояниях? Несомненно, радиоволны для такой задачи обладают рядом ценных преимуществ. Основные преимущества — сравнительно малая мощность передатчика, посылающего сигналы на расстояния в десятки световых лет и дальше, возможность легко отделить искусственный сигнал от теплового радиоизлучения звезды и высокая разрешающая способность по частоте у приемной аппаратуры. Последнее свойство после детального изучения сигнала позволяет получить ряд важных сведений об излучающей его планетной системе, а также информацию о разумных существах, ее населяющих. Несмотря на все очевидные преимущества радиосвязи между удаленными на межзвездные расстояния цивилизациями, необходимо все же обсудить другие возможные типы связи. В первую очередь мы рассмотрим интересный вопрос о возможности такой связи на очень высоких частотах оптического и примыкающих к нему диапазонов. Казалось бы, посылка от одной планеты к другой по возможности узкого светового пучка — очевидное, принципиально простое, средство связи. Однако на пути осуществления такого «межзвездного прожектора» встречаются очень большие трудности. Дело в том, что прожекторы обычного типа, даже самые совершенные, посылают не параллельный пучок света, а слегка расходящийся, что объясняется невозможностью создать точечный источник света в фокусе. Вот в этом-то «слегка» и заложена вся трудность проблемы. Если на обычных, «земных» расстояниях расхождение пучка из-за его непараллельности сравнительно невелико, то на межпланетных, не говоря уже о межзвездных, расстояниях оно становится уже недопустимым. Пусть, например, угол раствора конуса, в котором сосредоточен поток излучения, посылаемый прожектором, равен 30 мин. дуги, как у лучших из современных прожекторов. Тогда на расстоянии 50 км диаметр сечения луча прожектора будет около 450 м и поток энергии через единицу поверхности (определяющий освещенность предмета, на который направлен прожектор) будет еще достаточно велик. Например, если мощность излучения прожектора равна 10 кВт, поток энергии через 1 см2 на расстоянии 50 км от нашего прожектора будет 5 • 10-6 Вт. Хотя эта величина в несколько десятков тысяч раз меньше потока солнечного излучения, в ночных условиях предмет будет освещен и вполне заметен. Теперь представим себе, что такой прожектор посылает луч на Луну, чтобы, например, осветить ее темную часть. Так как среднее расстояние до Луны 380 тыс. км, диаметр пятна будет уже около 3 тыс. км. При этом освещенность поверхности Луны будет в 100 млрд. раз меньше, чем от Солнца, и в 10 млн. раз меньше, чем освещенность, создаваемая на темной стороне Луны светом, отраженным от Земли («пепельный свет» Луны). Совершенно ясно, что какого-либо светлого пятна на поверхности Луны от такого прожектора мы не обнаружим. Следует, однако, заметить, что с Луны такой прожектор был бы виден как звезда приблизительно 3-й величины и даже на ярком фоне освещенной Солнцем Земли был бы заметен. Но уже с расстояния порядка 100 млн. км (что соответствует расстоянию до Марса или Венеры) наш прожектор был бы виден как слабая звездочка 15-й величины, т. е. примерно такая же, как спутники Марса, если их наблюдать с Земли. Ясно, что, если прожектор установлен на поверхности Земли, его никак нельзя будет наблюдать. Только в том случае, если он будет помещен на искусственном спутнике Земли, достаточно удаленном от ее поверхности, он может быть обнаружен с Марса или Венеры. Разумеется, при этом необходимо, чтобы луч прожектора был направлен с большой точностью на эти планеты. Что же касается межзвездных расстояний, то и без всяких вычислений видно, что попытка обнаружить прожектор была бы совершенно безнадежной. Кроме того, в этом случае мы столкнулись бы с новой трудностью решающего характера: излучение Солнца в направлении оси прожектора на много порядков больше излучения самого прожектора. Таким образом, даже самые лучшие из современных прожекторов совершенно не в состоянии послать обнаружимый сигнал на межзвездные расстояния. Положение, однако, коренным образом изменилось в последние годы в связи с усиленной разработкой квантовых усилителей и генераторов излучения. В радиодиапазоне это привело к изготовлению приемников сверхвысокой чувствительности, так называемых мазеров, о чем речь шла в предыдущей главе. Те же принципы, будучи примененными к оптическому и инфракрасному диапазону частот, привели к осуществлению исключительно важных и особенно перспективных приборов, получивших название «лазеров». Здесь нас не интересуют возможности использования лазеров как весьма эффективных усилителей света. Для нашей проблемы особый интерес представляют лазеры — генераторы пучков видимого и инфракрасного излучения. Нас бы очень далеко завело обсуждение физических принципов работы лазеров. Желающих ознакомиться с этим вопросом мы отсылаем к книге Б. Лендьела «Лазеры».— М.: Мир, 1964. Мы здесь интересуемся лазерами с «потребительской» точки зрения, что для наших целей совершенно достаточно. Основой современных лазеров (так же, как и мазеров) является некоторое «рабочее вещество», которое может быть и твердым и газообразным. На заре развития лазерной техники в качестве такого вещества использовался преимущественно синтетический рубиновый кристалл. В последние годы «твердотельным» рабочим веществом лазеров является стекло, активированное неодимом. Такие лазеры работают на волне 1,06 мкм. Наряду с этим в последнее время большое распространение получили газовые лазеры, где рабочим веществом является углекислый газ CO2. Благодаря специфическим свойствам «рабочего вещества» при определенных условиях с его поверхности в направлении нормали выходит почти параллельный и в высокой степени монохроматический пучок излучения. Современные лазеры могут работать в двух разных режимах. В одном случае лазер может посылать очень короткие импульсы излучения, длительностью до 10-12 с. У современных «твердотельных» лазеров энергия, излученная в каждом из таких ультракоротких импульсов, может доходить до 10 Дж. Длительность импульсов может быть значительно больше, и тогда энергия, содержащаяся в импульсе, естественно, увеличивается. Например, в режиме «свободной генерации» длительность импульса порядка тысячной доли секунды, а энергия в каждом импульсе может доходить до нескольких тысяч джоулей. Газовые лазеры, использующие CO2 в качестве «рабочего вещества», могут работать в режиме непрерывной генерации, излучая мощность в несколько десятков киловатт. Так как излучение лазера синфазно по всей его поверхности, то, как известно из оптики, угловая ширина посылаемого им пучка будет равна λ/D, где λ — длина волны света, D — размеры блока «рабочего вещества». Отсюда следует, что даже у современных лазеров размером всего лишь в 1 см угол раствора светового пучка равен приблизительно 5 • 10-5 рад или 10 с дуги. Если таким пучком осветить Луну, размеры пятна будут около 20 км. Заметим, что угловые размеры пучка могут быть сделаны значительно меньше, если лазер сочетать с некоторой оптической системой типа телескопа. Пусть мы имеем высококачественную линзу, диаметр которой равен d, причем фокусное расстояние также равно d. Если такую линзу поместить в пучок света, излучаемый лазером, то в ее фокальной плоскости действительное изображение пучка будет иметь размеры λ. Пусть это изображение совпадает с фокусом другой линзы (или зеркала) значительно большего диаметра A, причем фокусное расстояние большой линзы больше или равно A. В таком случае, как легко убедиться, пучок, выходящий из большого зеркала, будет иметь угол расхождения, равный λ/A. Хотя такие системы еще не изготовлены, в принципе это вполне возможно. Трудности здесь будут хотя и серьезные, но чисто технического характера. Например, необходимо будет разработать системы автоматического контроля и коррекции поверхности большого зеркала, компенсирующие деформации из-за нагревания его поверхности мощным пучком излучения. Кроме исключительно высокой направленности, другим важным преимуществом пучка излучения, генерируемого лазером, является высокая монохроматичность. Так, например, у современных лазеров, работающих в непрерывном режиме, ширина полосы частот бывает до 10 кГц, что в десятки миллиардов раз меньше частоты излучения. Как мы увидим ниже, высокая степень монохроматичности пучка — весьма ценное качество для межзвездной связи. В настоящее время усовершенствованию лазеров уделяется огромное внимание. Так, в США над этой проблемой работают тысячи фирм. Расходы на исследования в данной области достигают многих сотен миллионов долларов в год. Интерес к этой проблематике не случаен. Осуществление лазеров большой мощности будет означать появление нового типа оружия совершенно исключительной разрушающей способности. По существу, это будет знаменитый «тепловой луч» уэллсовских марсиан или, еще точнее, «гиперболоид инженера Гарина», созданный лет 60 назад фантазией Алексея Толстого. Лазеры большой мощности, вероятно, можно будет использовать как эффективное противоракетное оружие. Нужно, однако, надеяться, что колоссальные потенциальные возможности лазеров будут использоваться только в мирных целях. Развитие этой новой техники может оказать решающее влияние на ряд областей деятельности человечества, в частности на космическую связь. Первыми, кто обратил серьезное внимание на возможность применения лазеров для космической связи, были американские ученые Таунс (один из основоположников квантовой электроники, лауреат Нобелевской премии) и Шварц. Их работа появилась в одном из апрельских номеров журнала «Нейчур» за 1961 г. В качестве основной аппаратуры они рассматривают две системы лазеров, которые пока еще не разработаны, но в принципе могут быть изготовлены в ближайшие годы. Система «а» характеризуется мощностью 10 кВт в непрерывном режиме излучения, имеет длину волны света около 0,5 мкм, ширину полосы частот в пучке около 1 МГц, диаметр большого дополнительного зеркала 500 см и соответствующий этому зеркалу угол раствора пучка φ = 10-7 рад или 0,02". Система «б» представляет собой «батарею» из 25 таких же лазеров, как и в системе «а», но для каждого из них A = 10 см, и, следовательно, угол раствора пучка равен l". С такой точностью вся батарея лазеров может быть ориентирована в одном направлении. Следует заметить, что если система «а» будет установлена на поверхности Земли, то из-за неспокойствия атмосферы угол раствора пучка будет значительно больше теоретически ожидаемого, достигая l" или даже больше. Поэтому такую систему целесообразно поместить на искусственном спутнике за пределами атмосферы. Что касается системы «б», то она может работать с поверхности планеты без существенных искажений. Таунс и Шварц формулируют два естественных условия обнаружимости сигналов, посланных с других миров с помощью лазеров. Первое условие: пучок должен быть достаточно интенсивным, чтобы быть обнаруженным с помощью подходящего телескопа. Второе условие: необходимо, чтобы каким-либо способом можно было отделить сигнал от излучения звезды. В радиодиапазоне второе условие выполняется почти автоматически, но в оптическом отделение сигнала от излучения звезды, как мы увидим ниже, — довольно сложная проблема. Предположим, что сигнал посылается системой «а», вынесенной за пределы атмосферы планеты. Пусть расстояние R от планеты до Земли 10 световых лет, или 1019 см. Тогда поток излучения у Земли будет F = W/R2Ω Вт/см2, где W = 10 кВт — мощность передатчика, Ω = 10-14 — телесный угол пучка. Следовательно, F = 10-20 Вт/см2, в то время как поток от Солнца равен 0,14 Вт/см2. Зная отношение потоков излучения лазера и Солнца, легко можно вычислить звездную величину лазера, наблюдаемого с Земли. Для этого воспользуемся известной формулой астрономии, которая представляет собой определение понятия «звездная величина»: m1 – m2 = 2,5 lg F2/F1. Видимая звездная величина Солнца m2 = -26,8, откуда звездная величина лазера m1 = +21,2. Это означает, что с расстояния 10 световых лет такой лазер будет наблюдаться как одна из самых слабых звезд, едва доступная для больших телескопов. Поэтому для обеспечения надежной связи мощность передатчика должна быть повышена в несколько десятков раз по сравнению с принятой Таунсом и Шварцем. Что касается системы «б», то поток от нее получается в 100 раз меньшим, чем от системы «а». Поэтому, вопреки утверждению Таунса и Шварца, для межзвездной связи она непригодна. Теперь мы обсудим вопрос о возможности отделения сигнала лазера от излучения звезды, около которой он находится. Единственный способ такого отделения состоит в использовании свойства высокой монохроматичности излучения лазеров. Пусть эта звезда излучает вблизи волны 0,5 мкм так же, как и наше Солнце (заметим, что вблизи этой волны находится максимум в распределении солнечного излучения по спектру). Тогда интенсивность излучения, рассчитанная на единичный интервал частоты и единичный телесный угол, будет равна 4 • 1010 Вт/(Гц • ср), в то время как у лазера интенсивность (равная потоку излучения, деленному на телесный угол пучка) будет 104/ (10-14 • 106) = 1012 Вт/(Гц • ср). Мы учли то обстоятельство, что у лазера все излучение сосредоточено в очень узкой полосе частот в 1 МГц. Таким образом, «спектральная интенсивность» у такого лазера в 25 раз больше, чем у Солнца. Если бы этот лазер работал в ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра, его спектральная интенсивность еще больше превосходила бы солнечную. Дело в том, что в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектральная интенсивность Солнца значительно меньше, чем в зеленой области около длины волны 0,5 мкм. Так, спектральная интенсивность для волн, больших 1,5 мкм, и меньших 0,25 мкм по крайней мере в 10 раз меньше, чем для 0,5 мкм, а для волн, больших 4 мкм или меньших 0,2 мкм — в сотни раз. Кроме того, нужно иметь в виду, что в солнечном спектре имеется много линий поглощения. В области этих линий (ширины которых значительно превосходят полосу частот лазера) спектральная интенсивность Солнца падает в десятки раз). Перечисленные обстоятельства открывают возможности в сотни и даже тысячи раз увеличить «контрастность» спектральных интенсивностей лазера и Солнца. Если лазер вынесен за пределы земной атмосферы (которая полностью поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны, меньшей 0,29 мкм, и существенную часть инфракрасного излучения), то в принципе, работая в области λ = 0,15 мкм «на дне» линии поглощения, можно получить для лазера спектральную интенсивность, в десятки тысяч раз большую, чем у Солнца. Следует, однако, иметь в виду, что при этом могут встретиться большие технические трудности как при изготовлении лазера в указанной спектральной области, так и вследствие резкого уменьшения отражательной способности зеркал в ультрафиолетовых лучах. Если лазер будет работать в инфракрасной области спектра, это повлечет за собой другую неприятность: пучок станет более расходящимся, так как длина волны будет больше. В общем создается впечатление, что выгоднее всего лазеру работать в видимом диапазоне частот «на дне» какой-нибудь сильной линии поглощения в спектре Солнца, например известных линий «H» и «K», принадлежащих ионизованному кальцию. В этом случае спектральная интенсивность лазера в узкой полосе частот шириной в 1 МГц будет в 300 раз больше, чем у Солнца. Если теперь наблюдать звезду с достаточно узкополосным светофильтром, излучение лазера может быть обнаружено на фоне излучения звезды. То же самое можно сформулировать иначе: если будет получен очень хороший спектр звезды, в нем может быть обнаружена весьма узкая линия излучения, принадлежащая лазеру. Однако практически трудно изготовить очень узкополосные хорошие фильтры. Точно так же разрешающая способность спектрографов ограничена. Какая же должна быть у спектрографа разрешающая способность, чтобы в спектре звезды обнаружить линию излучения от лазера? Такая линия вполне может быть обнаружена, если ее интенсивность хотя бы на 10% превышает интенсивность непрерывного спектра. Существенно, однако, что интенсивность линий сильно «размазывается» разрешающей способностью спектрографа. Если, например, последняя составляет 1 Ǻ, или, в единицах частоты, 1011 Гц, то усредненная по этому интервалу частот интенсивность очень узкой линии лазера будет уже в 300 раз меньше интенсивности соседних участков спектра звезды. Отсюда следует, что для получения 10% контраста линии лазера над фоном разрешающая способность спектрографа должна быть 0,03 Ǻ. Это очень высокая разрешающая способность. Но применение хороших спектрографов в сочетании с интерференционными приборами, по-видимому, позволило бы обнаружить в спектрах близких звезд слабую линию излучения искусственного происхождения. Такие наблюдения, конечно, следовало бы проводить на самых сильных телескопах. Если же мощность передатчика увеличить в несколько десятков раз (см. выше), то обнаружение такой линии не будет слишком трудной задачей даже для телескопов умеренных размеров в сочетании с хорошими спектрографами. При таких наблюдениях может, однако, возникнуть еще одна трудность. Из-за непрерывного изменения скорости передатчика по лучу зрения, обусловленного эффектом Доплера, частота сигнала будет непрерывно меняться. Для обнаружения сигнала, очевидно, нужно, чтобы за время фотографирования спектра звезд (скажем, час) частота сигнала не вышла бы за пределы полосы частот, определяемой разрешающей способностью спектрографа. Быстрее всего доплеровское смещение сигнала меняется из-за суточного вращения планеты, так как в этом случае период колебаний лучевых скоростей сравнительно невелик. Все же простой расчет показывает, что за время порядка 1 часа полоса частот лазера не уйдет за пределы, определяемые разрешающей способностью спектрографа. Таким образом, мы убедились, что лазеры при условии их дальнейшего усовершенствования вполне могут быть пригодны для межзвездной связи. При мощности лазера 10 кВт осуществление такой связи оказывается на пределе возможностей современной техники. Имеются, однако, серьезные основания полагать, что в перспективе ближайших нескольких десятилетий мощность лазеров вырастет в огромной степени. Например, применение лазеров для военных нужд может потребовать увеличения их мощности до миллионов киловатт и даже больше. Как же можно распознать линию искусственного происхождения в спектре какой-нибудь звезды? Во-первых, эта линия излучения должна быть чрезвычайно узкой; во-вторых, ее, по-видимому, нельзя будет отождествить с какой-либо из известных спектральных линий, и, наконец, интенсивность этой линии может регулярно меняться во времени. В этом случае информация может передаваться так же, как при пользовании «световым телеграфом». Коль скоро будет обнаружено присутствие линии излучения искусственного происхождения в спектре звезды, дальнейшее ее изучение можно будет проводить детально посредством специально для этого разработанной аппаратуры. При этом широкое применение может получить фотоэлектрический метод наблюдения, который позволяет свести «время накопления» сигнала (аналогичное «времени экспозиции» при фотографических наблюдениях) до нескольких минут и даже меньше. Это весьма желательно для расшифровки модулированного светового сигнала. Все наши расчеты условий обнаружений оптических сигналов, посланных с других планетных систем при помощи лазеров, предполагают, что инопланетная цивилизация посылает очень узкий пучок света на Землю. Точность посылки сигнала должна быть очень высокой. Угол 10-7 рад, или 0,02 с дуги (а это угловая ширина пучка), — величина очень маленькая. Именно с такой точностью должно выдерживаться направление посылки сигнала. Эта точность находится на пределе возможностей современной астрономии. Если смотреть с ближайших звезд, угловой диаметр земной орбиты будет около l c дуги. Так как расстояние между Землей и Солнцем разумным инопланетным существам заранее не известно, они должны своим лучом «шарить» в пределах Солнечной системы, регулярно меняя его направление в пределах нескольких секунд дуги. Ведь диаметр пучка света в пределах Солнечной системы «всего лишь» около 10 млн. км, что в 15 раз меньше расстояния от Земли до Солнца. По этой причине Земля будет только изредка, более или менее случайно, освещаться инопланетным лазером. Это, конечно, в высшей степени осложняет возможность его обнаружения земными наблюдателями. Последнее, на наш взгляд весьма важное, соображение Таунс и Шварц совершенно не учитывали. Между тем оно существенно снижает эффективность лазеров как средства межзвездной связи. Чтобы обойти эту трудность, нужно допустить, что диаметр пучка в пределах Солнечной системы в несколько раз больше расстояния между Солнцем и Землей. Тогда значительная часть Солнечной системы была бы «покрыта» одним пучком света. Но в таком случае при всех предположениях о расстоянии до облучающего нас лазера его мощность должна быть в несколько тысяч раз больше принятой нами. Разумеется, это обстоятельство не может рассматриваться как решающий аргумент против возможности использования лазеров для межзвездной связи, так как мощность последних, как уже говорилось, может быть существенно большей, чем мы принимаем. Все же бесспорен тот факт, что осуществление связи между инопланетными цивилизациями с помощью радиоволн (например, на волне 21 см) значительно экономичнее, чем при помощи лазеров. Но мы не можем знать, являются ли наши критерии «экономичности» столь важными для этих цивилизаций. И никогда не следует забывать при этом, что мы судим о технических и экономических возможностях межзвездной связи исходя из современных условий. Но ведь в будущем условия могут сильно измениться и то, что сегодня кажется малоперспективным, приобретет решающее значение. В заключение этой главы мы остановимся на перспективах связи при помощи лазеров в пределах Солнечной системы. Если пучок света от системы «а» направить на Марс в эпоху его противостояния, когда расстояние до этой планеты сокращается до 50 млн. км, на его поверхности образуется освещенное пятно диаметром 5—7 км. Из области этого пятна вспышка света от лазера будет видна как исключительно яркая звезда -7-й величины, т. е. примерно в 10 раз ярче, чем Венера на небосклоне Земли. Совершенно очевидно, что такой ярчайший источник можно как угодно модулировать и передавать таким образом с Земли на малую область Марса любую информацию. Такой же пучок, направленный на неосвещенную сторону Луны, даст пятно диаметром в 40 м, причем освещенность там будет всего лишь в 100 раз меньше, чем от прямых солнечных лучей. Из приведенных примеров следует, что перспективы связи на лазерах в пределах Солнечной системы очень благоприятны. (В США и СССР уже давно проводятся удачные опыты по освещению Луны лазером.)
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами» з дисципліни «Всесвіт, життя, розум»
