Какво можем да научим от шумовете в сигналите, пристигащи от дълбокия космос

Погледнете нагоре. Някъде там, извън пределите на нашата Слънчева система, на около 400 века полет до най-близката до нас звезда, една космическа сонда изпраща сигнал. Той е много слаб – мощността на предавателя е едва 22 W – колкото двойка светодиодни лампи. Източникът на този сигнал е Вояджър-1. Неговата 4-метрова антена все още изпраща сигнали до вкъщи.

След малко повече от двадесет часа, след епично звездно пътешествие, този сигнал стига до Земята, но неговата мощност е силно намалена – примерно до една десет милиардна част от вата. Пътешествието на сигнала през нашата Слънчева система приключва, но започва по-интересното – неговото изследване. Задачата е много по-сериозна, отколкото просто да бъде пресечена половината на Слънчевата система: необходимо е да се чуе и осмисли информацията в пристигналото послание – най-отдалечения шепот на нашето собствен творение.

Наистина, получаването на информацията от тази сонда не е много лесна задача за високотехнологичните уши на Земята. Сигналите от Вояджърите се приемат от три 21-етажни чинии, всяка с диаметър 70 метра и тегло почти 3000 тона. Те са разположени равномерно по цялото земно кълбо и са специално конструирани за прослушването на дълбокия космос и без особени проблеми приемат ежедневните отчети за състоянието на космическите апарати.

Една от тези чинии с име DSS-14 се извисява над пустинята Мохаве в Южна Калифорния, на около 100 километра от най-близкото шосе. Тя е разположена в неголяма долина между ниските Скалисти планини, които са остатъци от отдавна умрели вулкани. Да се отиде до тази антена не е лесно – необходимо е да се преминат двете нива на безопасност на военната база Форт Ъруин.

Тази местност съвсем не е дружелюбна: има боеприпаси, които не са се взривили, три вида гърмящи змии, огромни паяци, скорпиони и стада диви магарета и коне, които имат лошия навик да захапват нищо неподозиращите посетители.

Това е цял комплекс, който Лабораторията за реактивни движения на НАСА (JPL) нарича Голдстоун в чест на отдавна изоставения миньорски град. В този комплекс се намира и една дузина други по-малки чинии, първата от които започва да работи още през 1958 година и участва в приемането на сигналите на програмата Аполо. Сега тази антена не се използва и вече е посипана с пясък.

Аналогични комплекси са построени в Австралия, недалече от Канбера, както и в Робледо-де-Чавела, близо до Мадрид. Тези комплекси са създадени през 1960-години съвместно с DSS-14. От момента на започване на мисията Mercury IV през 1964 година, тези три масива осигуряват връзката с редица космически сонди, които са изпратени в далечни орбити.

Тези три антени във вид на гигантски чинии не са построени просто така. Те са разположени точно на по 120 градуса географска дължина, като по този начин се осигурява пълен обхват от цялата Земя. Освен това, антените са достатъчно отдалечени от цивилизацията, за да не могат земните комуникации да пречат на приемането на сигналите от космоса.

Тези три комплекса и техните антени са обединени в мрежата Deep Space Network, която се управлява от централния офис на JPL, недалече от Пасадена, Калифорния. Системата непрекъснато приема сигнали и подава команди към 40 сонди, космически апарати, сателити и марсиански роувъри. Някои от тях са доста близо – в орбита около Луната.

Но има други, които са съществено по-далече. Така например Юнона се намира около Юпитер, а сондата „Нови Хоризонти“ още през 2015 година достигна Плутон. И разбира се, двата Вояджъра, които бяха изстреляни през 1977 година за изучаване на Юпитер и Сатурн. Това са най-старите и най-далечни мисии, които все още се контролират от Земята.

Посланията от двата Вояджъра дават представа за разреденото междузвездно пространство и осигуряват възможност за наблюдение на заредените частици с ниска енергия, които са съставна част на почти цялата Вселена. Данните се предават със скорост едва 160 бита в секунда и към днешен ден не е лесно да се опише колко бавна е тази връзка. Но именно по този начин те дадоха възможност на физиците да очертаят границите на хелиосферата – магнитното кълбо, което обкръжава нашата Слънчева система, както и да се определи скоростта на слънчевия вятър.

НАСА започна да експериментира с по-бързи системи за осъществяване на връзка с помощта на лазери и може да се предположи, че радиовръзката в космоса може да бъде изоставена и да изчезне. Но едното никога няма да замени другото. Сигналите от Вояджърите преминават през цялата Слънчева система и шумът, с който се смесват, когато преминават близо до планетите, луните и астероидите, също носи полезна информация. В редица случаи тя дори е по-важна от самото съобщение.

Но да се върнем към Лабораторията за реактивно движение и по-точно, в нейното помещение, което специалистите наричат Тъмната стая. На пода на тази стая има надпис „Център на Вселената“, а осветлението се осъществява само от десетина компютърни дисплея. Именно оттам се управлява мрежата Deep Space още от началото на нейното съществуване. Дори разгорелият се преди няколко години пожар не спира работата: специалистите са се включили отдалечено към терминалите и получаването на сигнали от космоса е продължило.

Всяка смяна включва двама души. Те не само наблюдават работата на мрежата, но и състоянието на редица сателити и сонди.

„Такава е тяхната работа – да получават информацията от космическите кораби – каква е тяхната температура, излъчваната топлина, кое е включено и кое не е, и да изпращат тази информация в центъра за управление на мисиите“ – казва Майк Левеск, главният управляваш на мрежата Deep Space. „От Вояджър-1 например, от получените 160 бита само 10 имат отношение към протичащото на борда на този космически апарат“.

Останалите пакети данни се разпращат на други места, предимно към учените. Именно те анализират какво се случва в пространството около сондата, а не за самия космически апарат.

Основната работа на всяка смяна е декодирането на получените данни и тяхното изчистване от шумовете. Но понякога тези шумове носят изключително полезна информация. Сигналите пресичат космическото пространство, като понякога преминават през атмосферите и гравитационните полета на планетите, и носят информация за тях.

„Когато сигналът от сондата премине през нещо интересно, то той носи информация и за него“ – казва още Левеск. „В тези случаи шумът в сигнала всъщност е научна информация“.

Когато нещо подобно се случва, данните се изпращат на Камало Удрира, който оглавява катедрата по радиотехнически науки на JPL. Според неговите думи, за да се разбере по-добре с какво се занимава, е необходимо да си представим училищен автобус пълен с деца. Най-важната цел на водача е безопасно да извози всички деца. Но какво се случва с автобуса също е интересно.

В тази аналогия учениците са данните, а автобусът – сигнала. За учените, както и водача на хипотетичния автобус, най-важното е да се запази целостта на данните. Но за радиофизиците често пъти „автобусът“ се оказва много интересен. Така например, по следите от прах върху него може да се определи през какви места е преминал. Удрира се занимава именно с изследването на тези „автобуси“.

Много от ранните радиофизични експерименти от подобен тип са били случайни. Още през 1971 година, когато сондата Маринър 9 прелетя близо до Марс, сигналът от нея премина през атмосферата на Червената планета, която го промени.

„Инженерите виждат в тези смущения единствено шум, но някои учени се досетиха, че чрез изучаването на този шум може да се определи плътността, налягането и дори температурата на атмосферата на Марс“ – продължава Удрира. „Това бе началото на активното изследване на космоса чрез радиосигнали“.

Оттогава внимателното изучаване на получения шум значително увеличи нашето познание за Слънчевата система. Шумовете в сигналите на космическата сонда Касини например, дадоха възможност да се разбере, че красивите пръстени на Сатурн са се формирали много по-късно от самата планета – преди от 10 до 100 милиона години, докато Сатурн се е образувал преди около 4,5 милиарда години.

Лунната мисия НАСА GRAIL през 2012 година включваше два космически кораба, които обменяха радиосигнали, за да получат информация за вътрешността на Луната. Изучаването на начина, по който гравитацията на Луната изкривява сигнала, доказа че по-голямата част от кората на естествения спътник на Земята не е така плътна, както се считаше по-рано.

Удрира обича астрономията заради нейната простота. Сигналът всъщност е вълна с амплитуда, която има минимуми и максимуми, фаза (пикове и падини) и честота (броят на тези пикове за определено време). Изкривяванията в амплитудата, фазата и честотата не е трудно да бъдат забелязани, стига да знаете какъв е оригиналният сигнал.

Космическият шум в сигналите от Вояджърите винаги включва един особено важен компонент на радио науката. Двата космически апарата се отдалечават от нас със скорост около 50 хиляди километра в час и Доплеровият ефект леко разтяга дължината на вълната на сигнала от тях.

Измерването на това изкривяване показва докъде е стигнал съответния Вояджър, докато неговият сигнал е пътувал 20 часа до Земята. Тази информация се използва за определяне курса на тези космически кораби, а когато тяхната траектория е известна, не е трудно да се пресметне накъде трябва да бъдат завъртени гигантските антени, за да могат да улавят сигналите на Вояджърите.

Към днешен ден основните команди, които се изпращат до Вояджърите са за управление на останалата в тях мощност. Всички техни резервни системи са вече изключени. Това означава, че двата апарата генерират съвсем малко топлина в междузвездния студ и техният хидразин може да замръзне. Преразпределянето на енергията все още е възможно, понеже древните към днешен ден компютри на Вояджърите все още работят.

Шумовете към сигналите влияят и на уникалния „звуков ландшафт“, който тези сонди могат да записват. Вояджър 1 има на борда 8-пистов магнетофон за запис на плазмените вълни, флуктуационните йони и електрони, които създават своеобразна електрическа музика извън пределите на Слънчевата система.

Тези магнетофони все още работят и записват по 48 секунди от околния звуков шум, което става три пъти седмично. Когато Вояджър 1 излъчва тези данни, всички активни антени в Калифорния или Испания приемат сигнала в продължение на около 4 часа.

Очаква се след няколко месеца, най-много няколко години, температурата на Вояджърите да падне толкова много, че горивото ще престане да отива към двигателя, сондите няма да могат да коригират своята траектория и няма да могат да насочат антените си към Земята.

В продължение на десетилетия НАСА експериментира с разширение на мрежата Deep Space, в които се използват лазерни импулси. С помощта на лазерите е възможен обмен на десет пъти повече информация, като конструкцията на приемниците е съвсем опростена.

Причината НАСА да се ориентира към използването на лазери за комуникация са няколко. Първо, околното пространство е препълнено със земни радиосигнали, които пречат на работата на Deep Space. Второ, при изследването на Марс се предвижда получаването на видео от Червената планета за търпимо дълго време. И трето, през 2022 година в космоса трябва да бъде изведен новия сателит на НАСА, който има за цел изучаване на астероидите и ще бъде първият, който ще разполага с апаратура за лазерна оптична връзка.

Ето как вредният на пръв поглед шум може да ни разкаже много за космоса, като ни дава информация за плътността на Луната, за възрастта на пръстените на Сатурн и за границите на Слънчевата система. Дори смущенията и шумовете ни помагат по-добре да разберем нашето място във Вселената, за нашата малка синя планета, която е светът, в който живеем.