Извънземните може би изпращат сигнали именно в този момент: защо земната радиоастрономия е физически неспособна да разпознае технологичните сигнатури

Търсенето на извънземен разум (SETI) вече повече от 60 години се основава на предположението, че технологично напреднала цивилизация, която иска да оповести съществуването си, ще използва най-енергийно ефективния и забележим начин за комуникация. За такъв стандарт в радиоастрономията се счита теснолентовия радиосигнал – електромагнитна вълна, чиято ширина на спектъра не надвишава един херц (често обозначавана като <1 Hz).

Изборът на тази конкретна честотна лента е продиктуван от логиката. Първо, генерирането на такъв сигнал изисква минимално количество енергия, подавана от предавателя. Второ, в природата не са известни астрофизични процеси, способни да създадат толкова тесен и стабилен радиолъч. Всички излъчвания от квазари, пулсари и галактическия водород винаги заемат по-широк честотен диапазон. Следователно откриването на сигнал с ширина 1 Hz би било абсолютно и неопровержимо доказателство за изкуствена намеса.

От десетилетия радиотелескопите по света сканират милиони звездни системи, събирайки петабайти данни. Съвременните алгоритми за обработка са създадени да търсят именно такива свръхфини сигнали. Досега обаче тези търсения са безрезултатни, което води до концепцията за „Великото мълчание“. Ново мащабно проучване, публикувано от астрофизиците Вишал Гаджар и Грейс Браун от Института SETI и Калифорнийския университет в Бъркли, предлага физическо обяснение за липсата на положителни резултати. Учените доказаха, че нашите методи за обработка на данни са критично неадекватни на физическите условия на разпространение на радиовълни в космоса.

Проблемът с екзо-междупланетната среда

Преди това изследване радиоастрономите при изчисляването на изкривяването на сигнала разглеждаха основно междузвездната среда (ISM) – разреденият газ и прах, който запълва пространството между звездните системи. Ефектът на междузвездната среда върху теснолентовите радиовълни е добре проучен и се счита за приемлив за съвременните детектори.

Изследователите обаче са пренебрегнали най-сложната част от пътя – екзо-междупланетната среда (Exo-IPM). Това е пространството в самата система на родителската звезда, в което се намира хипотетичната планета с предавател. Тази среда е коренно различна от междузвездния вакуум. Тя е изпълнена с плазма, потоци от заредени частици, и е подложена на постоянното влияние на звездния вятър.

Когато една монохроматична електромагнитна вълна с ширина на сигнала 1 Hz напусне предавателя и започне да се движи през екзо-междупланетната среда, тя се сблъсква със стохастични флуктуации в електронната плътност. Плазмата в звездната система е неравномерно разпределена и се движи с огромни скорости. Преминаването на радиовълната през подобни движещи се нееднородности предизвиква фазови смущения.

От гледна точка на физиката този процес води до дифракционна сцинтилация и Доплеровия ефект на микроравнище. Резултатът е явление, известно като спектрално разширяване. Първоначалният сигнал, който е бил под формата на перфектна делта функция (остър връх на честотната графика), се трансформира в лоренцов профил – широка основа със силно занижен връх.

Общата енергия на предавания сигнал се запазва, но се преразпределя върху съседните честоти. Ако първоначално сигналът е бил с ширина 1 Hz, след преминаване през турбулентната екзомеждупланетна среда той може да се разшири до 10, 50 или 100 Hz. Когато се разшири само до 10 Hz, пиковата мощност на сигнала, който телескопът открива на определена честота, спада с 94%. В този момент стандартният алгоритъм за търсене на SETI класифицира получените данни като нормален фонов шум, тъй като е програмиран да игнорира всичко, което е по-широко от няколко херца.

Емпиричните доказателства от Слънчевата система

Заключенията на Гаджар и Браун се основават не само на теоретични изчисления, но и на десетилетия практически радарни измервания в нашата Слънчева система. Физиката на спектралното разширение е многократно потвърждавана от данните на космическите апарати.

От 60-те години на миналия век насам сондите Mariner 4, Pioneer 6, Helios, Viking, Voyager и Cassini редовно преминават през т.нар. фаза на горно съединение – моментът, в който космическият апарат се намира зад Слънцето спрямо Земята. През тези периоди радиотелеметричният сигнал, предаван от сондата, е принуден да премине през слънчевата корона и плътните слоеве на слънчевия вятър.

Наблюденията показват една последователна закономерност: колкото по-близо до Слънцето преминава линията на видимост (правата линия между приемника и предавателя), толкова по-силно е спектралното разширение на радиосигнала. Учените са установили строга стъпаловидна зависимост между разстоянието на наблюдение (радиалното разстояние от звездата до линията на комуникация) и степента на влошаване на сигнала. Тези данни позволиха на Гаяр и Браун да създадат точен математически модел на плазмената турбулентност, който може да бъде мащабиран за други звездни системи.

Факторът на червените джуджета и резултатите от симулациите

Тези физически ограничения стават критични, когато се анализира статистиката на звездното население на нашата галактика. Около 75% от звездите в Млечния път принадлежат към класа на червените джуджета (М-джуджета). Поради ниската светимост на тези звезди обитаемата зона – областта, в която може да съществува течна вода на повърхността на планета – е изключително близо до тях. Повечето потенциално обитаеми екзопланети, като например световете в системата TRAPPIST-1, обикалят на разстояния, които са малки части от астрономическата единица.

Това означава, че всяко радиопредаване от такива планети гарантирано ще премине през области с максимална плътност на екзомеждупланетната плазма.

За да оценят мащаба на проблема, изследователите проведоха симулации по метода Монте Карло за един милион близки звездни системи. Извадката се състои от 25% звезди от слънчев тип и 75% червени джуджета. Взети са предвид случайните орбитални параметри на планетите: ексцентрицитет, орбитален наклон, истинска аномалия и полумажорна ос.

Резултатите от симулацията показват пълния провал на сегашните алгоритми за откриване:

1. При наблюдения на честота 1 GHz: повече от 70% от системите показват забележимо спектрално разширение на сигнала. В 30% от случаите разширението надхвърля 10 Hz, което прави сигнала невидим за сегашния софтуер на SETI.
2. Наблюдения на честота 100 MHz: колкото по-ниска е честотата на наблюдение, толкова по-силен е ефектът на дифракционна сцинтилация. За нискочестотните радиотелескопи от следващо поколение, като LOFAR, MWA и изграждащия се масив SKA-Low, ситуацията е критична. Около 60% от системите ще създадат разширение, по-голямо от 100 Hz.

Динамиката на орбитите и изхвърлянето на коронална маса

Спектралното разширение не е статична величина. То се променя динамично в зависимост от орбиталната позиция на планетата. Когато планетата се намира пред своята звезда спрямо Земята (в ниска конюнктура), радиолъчът пресича минималния плазмен слой. С нарастването на орбитата на планетата обаче прицелното разстояние се скъсява. Максималното изкривяване настъпва по време на горната конюнкция, когато планетата се скрива зад звездата. При силно елиптични орбити този ефект се увеличава в зависимост от ъгъла на наклона на системата спрямо земния наблюдател.

Допълнителен рисков фактор са изхвърлянията на коронална маса (CME), които са преходни събития, съпроводени с внезапно освобождаване на гигантски обеми структурирана плазма. Червените джуджета се характеризират с повишена магнитна активност и при тях редовно се наблюдават изхвърляния на плазма.

Въпреки че математическата вероятност радиосигнал да пресече фронта на коронално изхвърляне по време на кратка наблюдателна сесия е малка (по-малко от 3%), последиците от подобно пресичане са фатални за излъчването. Нивото на турбулентност във вътрешността на ударната вълна на CME е толкова високо, че спектралното разширение веднага се увеличава с няколко порядъка, надхвърляйки 1000 Hz. Сигналът се интегрира напълно в топлинния шум на радиоефира.

Необходимост от промяна на парадигмата

Данните от изследването на Вишал Гаджар и Грейс Браун сочат необходимостта от цялостно преразглеждане на методологията на радиоастрономическите търсения. Великото мълчание на космоса не трябва да се тълкува като доказателство за отсъствието на извънземни цивилизации, а като систематична грешка на оцеляването, заложена в архитектурата на детекторите.

Авторите на статията формулират няколко строги препоръки за бъдещите програми SETI:

• Отхвърляне на постулата за идеалната тясна лента. Конвейерите за обработка на данни на програмите трябва да престанат да търсят единствено сигнали с форма на делта.
• Прилагане на адаптивни филтри. Алгоритмите трябва да използват последователен метод за филтриране, съобразено с ширината. Софтуерът трябва да може да интегрира разпределената енергия на разширения лоренцов профил обратно в единен набор от данни.
• Коригиране на стратегията за наблюдение. При планирането на сесиите с целеви звездни системи трябва да се вземе предвид орбиталната фаза на известните екзопланети, като се изключат периодите, когато линията на наблюдение е твърде близо до звездната корона.

Без прилагането на тези аналитични корекции човечеството рискува да продължи да пренебрегва реалните техносигнатури, като технически ги фиксира с антени, но програмно ги премахва от базите данни по време на обработката. Съвременната радиоастрономия е достигнала граница, при която игнорирането на законите на физиката на плазмата прави по-нататъшните търсения непрактични.