АННОТАЦИЯ
Предложено осуществлять поиск сигналов
внеземных цивилизаций (ВЦ) на длине волны
мкм лазерного
перехода
атомарного
йода. Перспективность поиска на этой длине волны обусловлена тем, что для
нее на базе йодного фотодиссоционного квантового усилителя был создан
узкополосный активный квантовый фильтр (АКФ) с шириной полосы
см-1
и высоким коэффициентом усиления
, который
позволяет реализовать выделение и прием слабых сигналов с квантовым пределом
чувствительности на фоне излучения звезд. Длина волны
, на которой
уже созданы мощные йодные лазеры с дифракционной расходимостью излучения,
может служить естественным частотным репером для осуществления связи с ВЦ.
Использование йодного лазера, излучающего импульсы длительностью 10 нс с
энергией 1 кДж (в настоящее время хорошо освоенный технический уровень), и
АКФ в приемном устройстве обеспечит при диаметрах главных зеркал передающего
и принимающего телескопов 10 м, расположенных в космосе, передачу и прием
сигналов по всей небесной сфере независимо от направления на центр Галактики
при расстоянии до ВЦ 300 св. лет. Малое поглощение излучения с
мкм в
атмосфере Земли (
см-1)
дает возможность вести поиск и передачу сигналов ВЦ и с наземных оптических
телескопов, оснащенных адаптивными оптическими системами, с уменьшением
дальности связи всего на 20%. Например, с помощью 8,2-м телескопа
VLT Европейской южной обсерватории на горе
Параналь (Чили) можно обеспечить дальность связи 160 св.лет. Если же будут
реализованы проекты телескопов с диаметром главного зеркала 30 м, то
дальность связи при их наземном базировании и оснащении адаптивными
оптическими системами составит 2200 св.лет, а при космическом базировании -
2700 св.лет.
ABSTRACT
The search for signals from the
extraterrestrial intelligence (ETI) using the wavelength
by
the laser transition
of
the atomic iodine is suggested. Such a search seems to be promising, since
for this wavelength on the base of an iodine photodissociation quantum
amplifier a narrow-band and a high gain active quantum filter (AQF) has been
created (the line width
cm-1
and the gain factor
),
and this allows picking out and receiving weak signals against a background
of star radiation with a quantum sensitivity limit. The wavelength of
on
which the powerful iodine lasers with the diffraction divergence of
radiation were created may serve as a natural frequency reference point for
communication with ETI. The
employment of an iodine laser emitting pulses of 10 ns duration and the
energy of 1kJ (today well mastered technical level) and AQF
in the receiving device, if the transmitting and receiving telescopes,
located in space, have the diameters of main mirrors equal to 10 m, can
provide communication with ETI at a distance about 300 light years in all
celestial sphere regardless of galaxy center direction. The low absorption
of radiation at
in
the Earth atmosphere (
cm-1)
gives also a
chance to provide a search
for signals from ETI and signal transmission for ETI from the land optical
telescopes equipped with adaptive optical trains, with a decrease of
communication distance of 20% only. For example, using a 8.2-m telescope VLT
of European South observatory on mountain Paranal (Chile) one can provide
the operating distance of 160 light years. If the projects on the creation
of telescopes with the main mirror diameter of 30 meters will be realized,
then the operating distance, when the telescopes are ground-based and
supplied with adaptive optical trains, will be 2200 light years, and for
cosmic-based telescopes, 2700 light years.
1. Введение
В пионерских работах
Коккони, Моррисона [1], Дрейка [2] и Шварца, Таунса [3] показана
принципиальная возможность осуществления космической связи с внеземными
цивилизациями (ВЦ) с помощью электромагнитных волн. За прошедшее с этих
первых работ время наука и техника далеко ушли вперед, появился ряд
теоретических и экспериментальных исследований в области поиска сигналов ВЦ
[4-6], однако до настоящего времени достоверно зарегистрировать сигналы от
ВЦ не удалось. В то же время по мере развития современного
научно-технического прогресса актуальность и ценность обнаружения сигналов
ВЦ и установления космической связи с ними возрастает.
Предлагаемая работа имеет
своей целью осветить некоторые новые возможности решения указанной проблемы,
появившиеся в связи с развитием и совершенствованием лазерной техники.
Проблема поиска сигналов ВЦ в оптическом и ИК-диапазонах обсуждалась уже в
первых работах [3,7,8]. В них было показано, что поиск сигналов ВЦ
целесообразно вести не только в диапазоне СВЧ колебаний с длинами волн
см, но также в
диапазоне видимых и ближних ИК волн с
мкм, несмотря
на существенно больший уровень шума по сравнению с СВЧ диапазоном. Позже
возможность поиска сигналов ВЦ в оптическом диапазоне обсуждалась в [9].
Обзор экспериментальных исследований по поиску сигналов ВЦ в радио и
оптическом диапазонах можно найти в [10].
Главные достоинства
оптического и ИК каналов - их высокая информационная пропускная способность
и возможность осуществления остронаправленной передачи. Это позволяет
передавать сигналы на огромные космические расстояния при разумных затратах
энергии и размерах апертуры передающего устройства. Для регистрации сигналов
ВЦ, как отмечают Шварц и Таунс в конце своей статьи [3], «…вероятно, будет
правильно изучить спектры звезд с высоким разрешением с целью поиска
необычных узких линий, расположенных на необычных частотах или с переменной
интенсивностью».
В данной работе обосновывается
возможность эффективного поиска сигналов ВЦ и установления с ними
космической связи на частоте такой «необычной» линии, узкой и жестко
фиксированной в спектре, как линия лазерного перехода
атомарного
йода -
мкм.
2. Основные задачи,
сопряженные с проблемой поиска сигналов и установления связи с ВЦ
Проблема поиска сигналов
и установления связи с ВЦ сопряжена со следующими принципиальными
техническими задачами, без решения которых эта проблема не может
рассматриваться как реальная.
1.
Выбор длин волн излучения, на которых целесообразно
осуществлять поиск сигналов ВЦ.
2.
Разработка методов выделения сигнала на фоне звезды, вокруг
которой вращается планета с предполагаемой внеземной цивилизацией.
3.
Обеспечение необходимой чувствительности приема сигнала с
отношением сигнал/шум, обеспечивающим его уверенное обнаружение с
вероятностью
и достоверную
идентификацию параметров сигнала на фоне шумов.
4.
Обеспечение достаточного энергетического уровня передаваемого
сигнала.
В связи с первой задачей
авторы [3] отмечали, что в коротковолновом диапазоне «выбор частоты,
вероятно, будет диктоваться наличием подходящего вещества для мазера,
обеспечивающего желаемую частоту».
Принципиальная
возможность решения последних трех задач средствами лазерной техники
проанализирована в [3], а также в [7,8]. При анализе предполагалось, что в
передающем устройстве будут использованы мощные лазеры с дифракционной
направленностью излучения, а в приемном устройстве для выделения полезного
сигнала на фоне звезды – узкополосные фильтры практически не поглощающие
излучение полезного сигнала и детекторы фотонов со 100% квантовым выходом
для обеспечения максимально возможной чувствительности приема. Приемные и
передающие устройства с такими, идеальными, характеристиками в шестидесятые
годы прошлого века еще не были реализованы.
К настоящему времени в
лазерной технике на длине волны 1,315 мкм разработано приемное устройство с
узкополосным йодным активным квантовым фильтром (АКФ) [11-23], обладающее
практически идеальными характеристиками и мощные йодные лазерные генераторы
с дифракционной расходимостью излучения [25-34].
На основе приемного
устройства с йодным АКФ можно успешно решить вторую и третью из упомянутых
выше задач космической связи в отношении поиска сигналов ВЦ. Использование
же в передающем устройстве мощных лазеров на атомарном йоде с дифракционной
расходимостью излучения позволяет решить четвертую из упомянутых задач, что
в совокупности решает также задачу выбора длины волны излучения, на которой
целесообразно осуществлять поиск сигналов ВЦ и открывает реальную
возможность установления связи с ВЦ на расстояниях сотни и тысячи световых
лет.
Отметим, что цикл работ
«Физические процессы в фотодиссоционных лазерах», включающий в себя и работы
по созданию йодного АКФ и мощных йодных фотодиссоционных лазеров с
дифракционной расходимостью излучения, отмечен в 2003 году премией РАН им.
Л.И.Мандельштама.
3. Характеристики йодного
активного квантового фильтра
Йодный АКФ был создан на основе йодного
фотодиссоционного лазера, излучающего и усиливающего электромагнитные волны
с длиной волны
мкм на
лазерном переходе атомарного йода
[24].
Атомы йода в состоянии
образуются в
результате фотолиза перфторалкилйодида, типа
, под действием
УФ излучения импульсных ксеноновых ламп. Перейдя в нижнее состояние
атомы йода
рекомбинируют в исходную молекулу за время много меньшее времени жизни
возбужденных атомов.
Принципиальной особенностью активного
квантового фильтра в отличие от пассивных оптических фильтров является то,
что выделение сигнала осуществляется путем усиления узкой спектральной линии,
содержащей сигнал. Причем, если показатель усиления много больше экстинкции,
то потерь полезного сигнала нет.
Возможность
использования йодного фотодиссоционного оптического усилителя в качестве
активного квантового фильтра для приёма предельно слабых сигналов на фоне
мощной засветки обусловлена следующими характерными особенностями активной
среды йодных фотодиссоционных лазеров:
¨
жёстко фиксированная по
положению в спектре узкая линия усиления (на половине высоты максимума
ширина линии
при
коэффициенте усиления близком к единице составляет
см-1
(при увеличении коэффициента усиления ширина линии уменьшается);
¨
большой показатель
усиления
см-1
и малый показатель поглощения
см-1
в активной среде лазера;
¨
большое реальное время
жизни возбуждённых атомов йода - сотни микросекунд;
¨
высокая оптическая
однородность активной среды;
¨
отсутствие атомов йода
на нижнем уровне лазерного перехода.
Эти особенности
активной среды делают целесообразным использование йодного АКФ для задач
поиска сигналов ВЦ. Рассмотрим эти качества более подробно с привлечением
результатов экспериментальных исследований.
Показатель усиления
см-1
позволяет при длинах активной среды АКФ меньше метра достичь коэффициента
усиления сигнала
[14,18], что
во много раз больше значения, при котором квантовый шум АКФ превышает
дробовой и тепловой шумы фотодиодов и элементов электрических цепей. При
этом экспериментально регистрируется лишь квантовый шум АКФ.
Благодаря быстрому опустошению нижнего
энергетического уровня и практически полному отсутствию на нем атомов йода
вследствие быстрой их рекомбинации в исходную молекулу шум АКФ составляет
минимально возможное значение. В силу же достигнутой высокой оптической
однородности активной среды АКФ сигнал, исходящий из точечного источника,
после усиления в АКФ удается сфокусировать в пятно дифракционного размера
[15], то есть реализуется одномодовый режим усиления, что позволяет достичь
предельно высокой чувствительности, ограниченной квантовым пределом 1 фотон
в моду за время
.
Внешний вид йодного АКФ показан на рис.1. В
[14] при отношении сигнал/шум единица экспериментально была достигнута
чувствительность, равная примерно 3 фотонам, что обусловлено
несогласованностью с шириной линии усиления АКФ длительности полезного
сигнала и времени усреднения видеоусилителя, составлявшими на полувысоте от
максимума соответственно 40 нс и 90 нс. Если согласовать длительность
импульса полезного сигнала с шириной линии усиления АКФ, то есть сократить
длительность импульса примерно до 10 нс, и использовать достаточно
широкополосный видеоусилитель, то чувствительность АКФ при отношении
сигнал/шум равном 1 составит примерно 1 фотон в моду.
Рис.1. Внешний вид йодного АКФ,
разработанного в Отделении Квантовой радиофизики им. Н.Г.Басова Физического
института им. П.Н.Лебедева РАН.
Высокий коэффициент усиления сигнала в
сочетании с весьма узкой линией усиления приводит к тому, что при приеме
импульсов согласованных по спектру с частотной характеристикой приемного
устройства чувствительность приемного устройства с АКФ остается практически
неизменной даже при наблюдении сигнала на фоне фактически любого мощного
источника света естественного происхождения. Так, если прием сигнала вести
на фоне диска Солнца, температура поверхности которого 6000 К, то
чувствительность снизится всего на 12% [16,17].
Это утверждение было проверено в модельных
экспериментах по приему сигнала на фоне плазменного источника излучения
(источник Подмошенского ИСИ-1) с яркостной температурой 40000 К [18]. На
рис.2, взятом из [18], представлена осциллограмма напряжения на выходе
электронного усилителя при подаче на подключенный к нему фотодиод
импульсного оптического сигнала с длительностью на полувысоте 40 нс на фоне
импульса излучения ИСИ-1 (эффективное время усреднения электронного видеоусилителя
нс). В [18]
при отношении сигнал/шум равном 1 также как и в [14] достигнута
чувствительность приема 3 фотона вне импульса ИСИ-1 и 6 фотонов в пределах
импульса ИСИ-1.
Рис.2. Осциллограмма напряжения на выходе
электронного усилителя при подаче на фотодиод импульсного оптического
сигнала и излучения ИСИ-1 с выхода АКФ (время усреднения
нс). Импульс
излучения ИСИ-1 начинается на 8-ой мкс от начала отсчета времени сразу после
высокочастотной электрической наводки от импульса поджига. Импульс полезного
сигнала приходит на 13-ой мкс.
Таким образом, использование для приема
оптических сигналов ВЦ йодного АКФ позволит решить задачу эффективного
выделения оптических сигналов, состоящих всего из нескольких фотонов, на
фоне излучения звезды. Следовательно, можно утверждать, что йодный АКФ
обеспечивает успешное решение в ИК-диапазоне длин волн второй и третьей из
указанных задач космической связи.
Способы при
