«Частники проявили интерес». Российский ученый в NASA предложил схему связи с соседними цивилизациями

Вячеслав Геннадьевич Турышев

Доктор физико-математических наук. Академик Международной академии астронавтики (IAA). В 1987 году с отличием окончил Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова. Ведущий научный сотрудник в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) при Калифорнийском технологическом институте. Профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA). Лауреат нескольких премий NASA и JPL за выдающиеся достижения в исследованиях космоса. Область научных исследований — гравитация и фундаментальная физика, релятивистская астрофизика и космология, экзопланеты. Является экспертом в области высокоточной навигации, динамики Солнечной системы, лазерной локации Луны и высокоточной астрометрии и интерферометрии.

С 2023 года является членом Исполнительного совета по фундаментальной физике NASA (FunPAG). Опубликовал 227 статьи, 2 книги.

Как возникла новая идея — контактов с другими цивилизациями с использованием их звезд в качестве гравитационных линз?

Физические принципы и математика такой задачи сравнимы с теми, что используются при рассмотрении Солнца в качестве линзы для наблюдения за экзопланетами и получения снимков их поверхности с высоким разрешением. Это возможно потому, что описания прохождения лазерных сигналов в окрестностях массивного тела основаны на тех же самых уравнениях и соответствующих дифракционных интегралах. Мы задумались — а что, если другая, технологически чуть более продвинутая цивилизация захочет сообщить нам о своём существовании, создать необходимые инструменты, запустить их в фокальный регион своей звезды и направить световой луч в нашем направлении? Какие свойства будут у такого сигнала, когда он достигнет Солнечной системы, и сможем ли мы его принять? И вообще, какова физика этого процесса и есть ли вообще какое-то преимущество использования гравитационного линзирования в этих целях?

Оказалось, что даже одной линзы хватает, чтобы после преодоления лучом межзвездных расстояний получить очень яркий сигнал, который мы можем увидеть даже при сегодняшнем уровне развития технологий.

Почему лазер, а не радио, например?

Потому что лазер является источником высоконаправленного монохроматического излучения, что снижает потери при передаче энергии на большие расстояния. Кроме того, за последнее время были созданы очень хорошие спектральные фильтры, позволяющие принимать сигналы строго на определенной длине волны. Такие возможности позволяют существенно снижать влияние шумов, связанных с регистрацией сигнала, тем самым увеличивая чувствительность наших инструментов.

В то же время, радиосигналы обладают гораздо меньшей направленностью, что приводит к существенным потерям мощности при передаче энергии на большие расстояния. Кроме того, прохождение радиосигнала через звездную атмосферу и межзвездные среды весьма затруднено. Дело в том, что плазма в звездной короне имеет отрицательный показатель преломления, что приводит к тому, что такая среда фактически рассеивает, а не фокусирует радиосигнал — то есть плазма в звездных атмосферах работает против гравитации, существенно ослабляя эффект гравитационной фокусировки для радиосигналов.

При этом оптические лазерные сигналы практически 'не замечают' звездную корону. Это приводит к уверенной гравитационной фокусировке монохроматических лазерных лучей, максимальному усилению яркости сигнала, дошедшего до Солнечной системы.

Что вам удалось показать в последней работе?

Самая оптимальная конфигурация получается, когда источник излучения, линза и приемник находятся примерно на одной оптической оси — линии, соединяющей Солнце, линзу и передатчик. Из наших предыдущих работ следует, что если приемник оказывается на большом расстоянии от оптической оси, то эффективность передачи энергии сильно падает. В нашей работе мы показали, какое существенное преимущество дает использование эффекта гравитационного линзирования. Оказалось, что мы получаем сигнал, усиленный в миллиарды раз.

Далее я рассмотрел случай, когда приемник расположен не точно на оптической оси, а, условно, сдвинут на несколько астрономических единиц. Выяснилось, что даже при этом сигнал остается достаточно сильным, чтобы его можно было зарегистрировать. Это, по сути, открывает путь к созданию новых технологий межзвездной связи, основанных на прикладной теории относительности. То есть, если какая-то продвинутая цивилизация захочет сообщить нам о своем существовании, она может сделать это, направив на нас лазерный луч и усилив его мощность при помощи эффекта гравитационной фокусировки. При этом сделать это достаточно просто даже с технологиями, доступными уже и нам. Чего мы пока не умеем — так это уверенно добираться до фокального региона нашей солнечной линзы (порядка 500 а.е. от Солнца), но, как мы говорили ранее, мы над этим уже работаем и через 20—30 лет это станет практически возможным.

ESA / Hubble & NASA

Речь идет о ближайших звездах?

В принципе, гравитационное линзирование — это эффективный способ усиления сигнала гравитацией любой звезды. Однако для наших современных технологий оптимальное расстояние источника сигналов составляет до 100 световых лет. Можно предположить, что у более продвинутых цивилизаций (если они существуют!) наверняка есть лазеры большой мощности. Даже у нас есть такие технологии: сегодня мы уже можем приобрести промышленные лазеры мощностью порядка 100 киловатт. Но даже однокиловаттный лазер уже довольно мощный (например, такой лазер мы недавно купили для программы лазерной локации Луны).

Допустим, эти представители другой цивилизации добрались до фокальной области своей звезды и смогли направить лазер в направлении Солнца — это уже начало установления контакта. Не стоит сомневаться, что о нашем присутствии они наверняка уже знают, ведь мы сами о себе заявили, начав эру телевидения и радиовещания — радиоволны от нас распространяются по всей галактике.

Исходя из сегодняшнего уровня развития наших технологий, можно предположить, что, если они опережают нас в развитии всего на сто лет, этого уже достаточно. Ведь в ближайшие 100 лет мы сами будем способны уверенно добираться до фокального региона солнечной линзы для наблюдения за экзопланетами. Зная, где находится Земля, они могут доставить лазерный передатчик в фокальную область своей звезды на линии, соединяющей Землю и эту звезду, и направить лазерный передатчик на свою звезду, послав нам световой привет.

Прямо на звезду?

Да, но это лишь общее направление. Дело в том, что когда свет проходит в окрестностях массивного небесного тела, его траектория искривляется в сторону этого тела. Если тело сферически симметричное, наблюдатель, находящийся на большом расстоянии по другую сторону от этого массивного тела и глядя на звезду, увидит этот свет в форме окружности вокруг звезды — так называемое кольцо Эйнштейна. Если звезда вращается и имеет небольшую сплюснутость, наблюдатель увидит крест Эйнштейна. Это свойство гравитационной линзы, показывающее, как она собирает свет.

Dani Zemba / Penn State (CC BY-NC-ND 4.0 DEED)

Этот эффект был предсказан Эйнштейном в одной из его первых работ и с тех пор мы наблюдаем его и учитываем в астрономии при наблюдении гравитационного линзирования на больших расстояниях.

Рассчитать, куда и как линза направит свет, довольно просто, зная расстояние между их звездой и нашим Солнцем. Условно говоря, это окружность с радиусом чуть больше радиуса звезды. Для того, чтобы добиться максимального усиления сигнала, они должны осветить регион вокруг их звезды, где находится эйнштейновское кольцо, соответствующее расстоянию до наблюдателя.

Идеально, если они смогут осветить все кольцо, формируя при этом сигнал в форме конуса, стенки которого оканчиваются на этом кольце. Создать такой передатчик снова несложно; даже мы уже знаем, как это делается и используем подобный подход в лазерной литографии, а они — тем более.

И тогда после линзы мы получим параллельный пучок, направленный на Солнце и Землю?

Если передатчик установлен строго в начале фокального региона, он создаст строго параллельный пучок. Однако, если передатчик расположен немного дальше от гравитационной линзы, например, в 1.2 раза дальше, чем начало фокального региона, параллельного пучка не получится. В этом случае интересно, что после прохождения мимо линзы, пучок начнет постепенно сходиться в районе Солнца, где мы уже сможем его принять.

Насколько потеряет в мощности лазерный луч, пройдя через линзу и такое большое расстояние до Земли?

В этом и было совершенно удивительное открытие: грубо говоря, если эти ребята посветят даже одноваттным лазером на длине волны один микрон (инфракрасный лазер) с расстояния в 30 световых лет от нас, мы получим на Земле поток света почти 40 тысяч фотонов в секунду.

А если без линзы светить?

В этой ситуации мы получим ничтожно малый поток света — всего 10-5 фотонов в секунду, что очень мало, учитывая, что нам нужно будет увидеть такой сигнал на фоне яркого света от самой звезды и других источников оптического шума.

Усиление на 9 порядков!

Да, это так! Гравитационная линза, условно, сначала коллимирует, а затем начинает плавно фокусировать пучок, уменьшая его диаметр в районе желаемой цели, тем самым обеспечивая существенный выигрыш в мощности.

Какого диаметра зайчик будет на расстоянии Земли?

Для нас такие пучки могут иметь диаметр в несколько десятков расстояний между Землей и Луной. Однако интенсивность в пучке света, дошедшем до нас, падает обратно пропорционально расстоянию от оптической оси, поэтому если использовать лазер большей мощности, например 10 киловатт, практически доступный нам сигнал покроет круг радиусом одну астрономическую единицу, что облегчит его регистрацию.

То есть такой лазер позволит им не следить за годичным движением Земли а заведомо попасть в нее, просто светя на Солнце?

Самый оптимальный сценарий — когда они постоянно освещают Землю, сопровождая нас 'лазерной указкой' по орбите вокруг Солнца. Однако даже если они просто направят луч на Солнце, компенсируя влияние внутригалактической межзвездной динамики, этот сценарий также будет эффективным. Это связано с тем, что сигнал имеет форму колокола. С увеличением передаваемой мощности сигнала мы будем способны увидеть этот 'колокол' на большем расстоянии от оптической оси.

Доступный уровень мощности передатчика может упростить прицеливание в нашу строну. Если мощность передатчика меньше определённого уровня, скажем, менее 10 киловатт (причём для каждой звезды этот уровень свой!), то возникает нагрузка на двигательную установку передающего космического аппарата. В этом случае сигнал должен будет направлен на орбиту Земли и либо следовать за Землей по её орбите, либо освещать одну точку вдоль её орбиты.

В то же время, если они способны излучать сигналы большой мощности, скажем, свыше 10 киловатт (чтобы быть уверенными в том, что из-за расширенного основания 'колокола' мы сможем увидеть отправленный нам сигнал), то им будет легче направить луч прямо на Солнце, тем самым упрощая движение передатчика относительно заданной оптической оси.

Существует много других сценариев, которые приводят к другим практически реализуемым режимам регистрации сигналов. Анализ таких сценариев позволит определить оптимальные стратегии поиска таких сигналов.

То есть технологий, имеющихся у землян, уже вполне достаточно, чтобы поймать сигнал цивилизации, обладающей таким же уровнем технологий, с соседних звезд?

Конечно! В своих расчётах я отталкивался от уровня имеющихся у нас технологий, немного экстраполируя их развитие на будущее. В частности, я исходил из предположения, что у этих внеземных ребят есть устойчивое желание сказать нам что-то важное, а также наличие двигательных установок и бортовых источников энергии, способных обеспечить доставку лазерного передатчика в фокальный регион их звезды и компенсировать эффект межзвёздного движения для инициации передачи сигнала.

1 киловатт — это оптимальная мощность. Расчёты показали, что для мощности в 1 ватт отношение сигнал/шум слабое — всего 8 за 1 секунду, что хорошо, но недостаточно. Однако, если мощность увеличить хотя бы до киловатта, лазерный луч будет проходить через корону звезды, практически не поглощаясь, и отношение сигнал/шум достигнет нескольких тысяч. При таких условиях ширина дошедшего до нас пучка света будет весьма большой, что упрощает для нас возможность поиска и изучения переданных нам сигналов.

Как нам угадать частоту лазера, который они могут использовать?

Сейчас доступны многоканальные спектрометры, которые могут анализировать тысячи различных диапазонов длин волн одновременно, причём все эти узкочастотные каналы анализируются параллельно. Используя такие инструменты, мы сможем легко подтвердить ожидаемый спектр излучения звезды в широком диапазоне длин волн, который хорошо известен для всех типов звёзд. При этом наличие сигнала будет легко обнаружить по аномальной яркости на какой-то одной длине волны. Такая аномальная яркость в узком спектральном диапазоне станет первым указанием на то, что у нас появился очень интересный сигнал.

Какова же тогда стратегия поиска возможных сигналов на Земле и в космосе?

Программа оптического поиска внеземного разума (Optical SETI), которая уже давно функционирует, не сильно оптимизирована. В рамках этой программы ученые тоже искали лазерные сигналы, развертывая спектрометры, но занимались мониторингом всего небосвода. Мы же утверждаем, что вместо этого следует сосредоточить внимание на ближайших звёздах и искать сигналы, аномально яркие в узком спектральном диапазоне. Для этого достаточно установить спектрометры на наземные и космические телескопы.

Optical SETI — это сеть обсерваторий по всему миру, которые сканируют различные группы звёзд и источники в поисках лазерных всплесков. Однако, чтобы поймать неусиленный лазерный сигнал, он изначально должен быть сверхмощным, выше гигаватта. Гораздо проще не стремиться к созданию чего-то сверхъестественного, а использовать природный дар — родную звезду цивилизации в качестве гравитационной линзы, которая может усиливать сигналы для их передачи на межзвездные расстояния.

Для поиска самое эффективное — использовать наземные телескопы, оснащенные спектрометрами. Таких телескопов уже много, около 30. Необходимо, чтобы эти телескопы начали сканировать ближайшие звезды в радиусе от 30 до 50 световых лет от нас.

Но наземные телескопы работают по своим программам, заявкам, распределенным на годы вперед…

Нам не требуется много наблюдательного времени, поэтому возникает вопрос: в чём проблема уделить хотя бы час для такого наблюдения?

Но ведь сигнал может быть не постоянным, а в виде всплеска, когда Земля прошла сквозь конус, и мы можем пропустить его?

У этих цивилизаций, если они стремятся установить связь с Землёй, существуют два варианта: либо направлять сигнал в одну точку земной орбиты, чтобы мы могли пересекать его раз в год, либо использовать лазер чуть большей мощности для постоянной передачи сигнала. Оба метода не требуют длительного использования телескопа и могут быть реализованы без значительных изменений в расписаниях работы телескопов.

И так же можно использовать уже запущенные и будущие космические телескопы?

Да, конечно! Размещение телескопов в различных точках по орбите Земли может значительно улучшить их способность засекать искомый световой пучок. Идеально было бы расположить телескопы таким образом, чтобы они могли фиксировать лазерные всплески с периодичностью в несколько месяцев. И хотя мы мы не знаем, на какой длине волны придет сигнал, откуда он исходит и в какую точку он будет направлен, я показал, что энергетика позволяет реализовать такую схему передачи и приёма сигнала с использованием простых технологий, которые у нас уже есть.

Есть какие-то приоритетные звезды, куда нам надо смотреть?

На данном этапе нет приоритетных звёзд для наблюдения. Однако можно предположить, что нас будут интересовать звезды в нашем окружении, особенно те, где есть признаки наличия планет земного типа. Пока подтверждённых 'экзо-земель' в нашей окрестности не обнаружено, поэтому мы можем использовать звёздные каталоги, такие как Gaia, для систематического просмотра наличия лазерных сигналов от ближайших звёзд.

T. Pyle (SSC)

Что дальше? Каковы шансы, что статья не уйдет в архив, а по ее следам будут предприняты реальные попытки поймать сигнал?

В нашей лаборатории мне уже выделили финансирование для оценки возможностей существующих инструментов в поиске колец Эйнштейна вокруг ближайших звёзд. В настоящее время я занимаюсь разработкой программы исследований для конкретных обсерваторий, таких как строящаяся обсерватория Веры Рубин и космический телескоп Джеймса Вебба.

Эта идея вызвала интерес у коллег из SETI, с которыми мы недавно встречались и обсуждали возможности реализации проекта. Ожидаю, что NASA поддержит заявку, которую я готовлю, чтобы в ближайшее время начать обширную кампанию. Эта кампания поможет определить, что необходимо для создания сети телескопов. Даже частные инвесторы проявили интерес и готовы внести пожертвования, поскольку эта идея кажется им более реалистичной, чем традиционные радио или оптические исследования SETI.

Использование линзы для коллимации лазерного пучка соответствует развитию цивилизации, которая на сто лет опережает нас. Это предоставляет интересную возможность для обсуждения и разработки стратегии поиска. По крайней мере, это перемещает идею из области фантастики во вполне реальную наблюдательную кампанию, которая сможет заниматься изучением различных сценариев передачи и регистрации сигналов.

Остается надеяться, что рядом действительно есть цивилизация, которая либо чуть более старше нас, либо тратит свои ресурсы на что-то более важное, чем крылатые ракеты, и мы сможем на начальном этапе вступить с ними в односторонний контакт.

Через 30—40 лет мы сами будем способны посылать сигналы подобного типа, как только освоим технологии для достижения и работы в фокальном регионе солнечной гравитационной линзы. С увеличением числа обнаруженных экзопланет мы вскоре найдем планеты с признаками жизни, и именно к этим планетам стоит направлять сигналы или искать с них ответные сигналы. Идеи, изложенные в фильме 'Контакт', работах Карла Сагана и академика Николая Семеновича Кардашева, вдохновляют на такие размышления. С одной стороны, это кажется мечтой, но с другой стороны, я продемонстрировал, что передача энергии на межзвёздные расстояния при помощи эффекта гравитационного линзирования вполне возможна и не противоречит законам физики, и что это может быть осуществлено с использованием существующих технологий.

Ваши недавние амбициозные проекты — запуск космического телескопа в фокальную область Солнца для наблюдения ближайших экзопланет, космический парус для сверхбыстрого перемещения по Солнечной системе — в какой они стадии?

Оба проекта продолжают активно развиваться. Главная наша цель сейчас — это демонстрация технологии быстрого передвижения по Солнечной системе с использованием солнечных парусов с изменяемым вектором тяги. Недавно, 23 апреля 2024 года, ракета-носитель компании Rocket Lab вывела в космос космический аппарат NASA, целью которого является демонстрация на околоземной орбите солнечного паруса с развёртываемым углепластиковым каркасом. Мы идем дальше и в скором времени планируем запустить солнечный парус на орбиту вокруг Луны. Чем интересен этот проект? Этот парус будет создан с использованием архитектуры с изменяемым вектором тяги, что позволит нам продемонстрировать маневренность паруса, смену орбитальных плоскостей и параметров орбит. Мы планируем показать возможности такого солнечного паруса с активными сегментами поверхности, что позволит космическим аппаратам двигаться по совершенно разным некеплеровым орбитам вокруг Луны, около точек Лагранжа, а также зависать над разными частями Луны.

Следующий проект, который мы рассматриваем — это осуществление полета паруса вокруг Солнца с помощью частного финансирования, чтобы установить рекорд скорости в 5—7 астрономических единиц в год, что более чем вдвое превысит скорость «Вояджера-1», текущего рекордсмена, летящего со скоростью 3,1 ае/год. Мы сейчас находимся в состоянии переговоров с одним очень крупным инвестиционным фондом, который предлагает профинансировать практически 70% всего проекта, стоимость которого оценивается в $19,5 млн. Они заинтересованы в участии в установлении рекорда скорости и в решении какой-то научной задачи в ходе проекта.

Наша главная цель не изменилась — мы по-прежнему нацелены на запуск экспедиции к фокальному региону Солнечной гравитационной линзы в середине 2030-х годов. Именно поэтому мы планируем чаще совершать полёты, ставя различные научные задачи и выбирая разные траектории в Солнечной системе. Это позволит нам увеличить степень готовности ряда ключевых технологий. Так, в наших планах есть экспедиция на полярную орбиту вокруг Солнца. Почему это интересно? Во-первых, выход на такую орбиту с помощью ракетных химических двигателей очень затратен. Во-вторых, аппарат Cassini ранее заметил гексагональную структуру в полярных областях Сатурна, а похожее образование было обнаружено аппаратом Galileo на Юпитере. Астрофизики ожидают увидеть подобные структуры и на полюсах Солнца, что весьма интересно для понимания физики Солнца.

Кроме того, мы рассматриваем миссию, которая направит космический аппарат через теплые водяные гейзеры на Энцеладе, спутнике Сатурна. Наши приборы будут способны зарегистрировать присутствие органических соединений, причём сделать это можно в ближайшие 10—12 лет, а не в конце 2060-х, как планируется сейчас.

Есть много других интересных задач. Сейчас нам необходимо начать полеты — дальше все это можно будет реализовать.