Институт SETI и другие похожие организации многие годы пытаются найти признаки разумной жизни за пределами Земли. Один из главных критериев поиска — прослушивание космоса в радиодиапазоне (хотя сегодня параллельно ищут и другие техносигнатуры в оптическом и инфракрасном диапазонах). Исследователей интересуют сигналы с признаками искусственного происхождения — то есть такие, которые нельзя убедительно объяснить естественными астрофизическими процессами.
Обычно охотятся за узкополосными радиосигналами — электромагнитными волнами с шириной спектра примерно в один герц, которые занимают небольшую полосу частот и по интенсивности резко выделяются на фоне космического шума.
В космосе большинство источников излучают сигнал в широком диапазоне частот. Узкополосный сигнал требует минимальных затрат энергии со стороны передатчика и редко объясняется естественными процессами, потому считается потенциальным признаком искусственного происхождения. При этом стоит отметить, что некоторые источники, например космические мазеры, могут излучать относительно узкие линии, но их физика, характеристики и происхождение хорошо изучены.
Авторы нового исследования выяснили, что на пути к Земле сигналы гипотетических инопланетных цивилизаций могут меняться под влиянием условий, которые раньше ученые не учитывали. В результате четкий и легко заметный сигнал рассеивается, становится более «расплывчатым» и менее различимым, поэтому телескопы могут принять его за обычный космический шум. Об этом исследователи рассказали в статье, опубликованной в издании The Astrophysical Journal.
Во время анализа данных радиоастрономы учитывают влияние межзвездной среды на потенциальные послания. Речь идет о разреженном газе и пыли, заполняющих пространства между звездами внутри галактики. Воздействие этой среды на узкополосные радиоволны давно просчитали и учли. Такого рода искажения ученые считают достаточно небольшими, поэтому современные детекторы способны их фиксировать.
Однако по мнению Вишала Гаджара (Vishal Gajjar) и Грейса Брауна (Grayce Brown) из Института SETI, радиоастрономы упускают из виду важную деталь. Они не учитывают влияние на сигнал самого сложного участка маршрута, который он проходит на пути к Земле, — экзомежпланетную среду (Exo-IPM). Это пространство внутри планетной системы, где расположена гипотетическая планета — источник сигнала. Условия там сильно отличаются от межзвездной среды. Пространство заполняют плазма и потоки заряженных частиц, на которые постоянно воздействует звездный ветер.
Гаджар и Браун решили проверить, будет ли искажаться сигнал в таких условиях, то есть еще до выхода в межзвездное пространство, и если да, то как сильно. В Солнечной системе существует точно такая же среда. Ее называют просто межпланетной. Чтобы оценить эффект, исследователи сначала изучили, как потоки плазмы влияют на радиосигналы космических аппаратов внутри нашей системы, затем перенесли расчеты на другие планетные системы.
Анализ показал: если радиоволна шириной один герц покидает передатчик и проходит через экзомежпланетную среду, она сталкивается с хаотическими изменениями плотности электронов. Плазма внутри планетной системы распределена неравномерно и движется на огромных скоростях. Радиоволна проходит через эти подвижные неоднородности, из-за чего ее фаза начинает колебаться.
С точки зрения физики такой процесс сопровождается множеством микроскопических доплеровских сдвигов. В результате возникает явление, которое называют доплеровским уширением. Сигнал, изначально выглядящий как очень узкий пик на графике частот, превращается в более широкий профиль с заметно сниженной вершиной.
Общая энергия сигнала при этом не исчезает. Она просто распределяется по соседним частотам. Если исходная ширина сигнала составляла один герц, то после прохождения через турбулентную экзомежпланетную среду она может увеличиться до 10 герц. Энергия распределяется по более широкой полосе, поэтому пиковая мощность на одной частоте падает примерно в 10 раз. То есть сигнал становится в 10 раз слабее по «вершине», хотя вся его энергия сохраняется.
Если расширение будет сильнее, например до 50 герц, пиковая мощность упадет примерно в 50 раз, а при 100 герцах — почти в 100 раз. В таком виде стандартные алгоритмы поиска SETI принимают сигнал за обычный фоновый шум, поскольку они настроены игнорировать все передачи шире нескольких герц.
Эти физические ограничения становятся особенно важными, если учитывать структуру звездного населения нашей галактики. Примерно 75 процентов звезд Млечного Пути — красные карлики (спектральный класс М). Их светимость намного ниже, чем у Солнца. По этой причине зона обитаемости — расстояние, при котором на поверхности планеты может сохраняться вода в жидком виде — располагается очень близко к самой звезде.
Многие потенциально обитаемые экзопланеты обращаются на очень тесных орбитах вокруг своих звезд, особенно если речь идет о красных карликах. Хороший пример — планеты системы TRAPPIST-1. Их орбиты лежат на расстояниях 0,01–0,06 астрономической единицы от звезды.
Анализ показал, что из-за такой близости любой радиосигнал, отправленный с поверхности подобных миров, неизбежно проходит через наиболее плотные области плазмы внутри планетной системы. Именно там воздействие экзомежпланетной среды на радиоволны достигает максимальной силы.
Чтобы оценить масштаб проблемы, Гаджар и Браун провели численное моделирование методом Монте-Карло. Они проанализировали миллион ближайших звезд. В выборку попали почти 25 процентов звезд солнечного типа, остальные 75 процентов — красные карлики. В расчет включили случайные параметры планетных орбит: эксцентриситет, наклон орбиты, истинную аномалию и большую полуось.
Результаты анализа указали на серьезные ограничения современных методов поиска сигналов.
При наблюдениях на частоте один гигагерц заметное спектральное уширение сигнала возникало более чем в 70 процентах систем и в 30 процентах случаев ширина сигнала превышала 10 герц. В таком виде стандартные алгоритмы поиска SETI уже не способны его распознать.
Ситуация становится еще сложнее на низких частотах. При наблюдениях на частоте почти 100 мегагерц эффект усиливался. Для радиотелескопов нового поколения, работающих в этом диапазоне, проблема становится особенно острой. Речь идет о таких инструментах, как LOFAR, MWA и строящийся массив SKA-Low. Моделирование показывает, что примерно в 60 процентах систем сигнал расширится более чем до 100 герц.
Исследователи указали еще на одну проблему. Раньше «отсеять» слабые сигналы от фонового космического шума не могли, поскольку компьютеры и программы были слишком слабые. Сейчас ситуация меняется: компьютеры становятся мощнее, а искусственный интеллект помогает быстро анализировать огромные объемы данных.
По мнению ученых, через сотни лет технологии могут измениться настолько, что сегодняшние приборы и методы покажутся совсем примитивными. То есть в будущем мы гипотетически сможем находить искусственные сигналы (если таковые действительно имеются), которые сейчас просто не удается уловить.