Ett långdistanssamtal
E.T. lyckades ringa hem med ett Speak and Spell, buzzsaw-blad och ett paraply . Verkligheten med interstellär kommunikation är lite mer komplicerad. Utrymmet är riktigt, riktigt stort. Kraften som behövs för att överföra en signal över tomrummet är enorm. Men snarare än att använda sändare med superhög effekt, har nyare forskning av Stephen Kerby och Jason T. Wright visar att vi skulle kunna använda en naturlig signalförstärkning inbyggd i solsystem – gravitationslinsningen av ett solsystems stjärna. Att nätverka en serie stjärnor som noder kan få signaler över stora delar av Vintergatan. Och vi kanske kan upptäcka om vår sol är detredandel av ett utomjordiskt galaktiskt kommunikationsnätverk.
Avlägsna satelliter längst bort i solsystemet kan använda solens naturliga fokusering av ljus för att kommunicera över rymden – ca. NASA
Som en tung boll placerad på en studsmatta, kommer ett massivt föremål som en stjärna att få själva rymden att kröka och skapa en 'gravitationsbrunn'. Både massa och energi som färdas genom krökt utrymme kommer att följa den kurvan. Till exempel är vår bana runt solen bokstavligen jorden som följer kurvan i rymden som skapas av vår stjärnas massa. När ljuset färdas genom rymden, följer dess väg också dessa kurvor vilket får ljuset att böjas. Effekten liknar hur ljus böjs av en glaslins, varför ljusets böjning på grund av gravitationen kallas 'gravitationslinser' . Liksom en lins kan stjärnor fokusera en avlägsen ljuskälla, såsom en radiosignal, vilket kraftigt ökar signalförstärkningen eller likaså fokusera en utgående signal för bättre överföring. Gravitationslinser är också synliga för våra teleskop som kallas 'Einstein Rings' eftersom det var Einsteins arbete med relativitetsteori som visade masskurvors rymd.
Skildring av en gravitationsbrunn – förvrängningen av rymden som skapas av ett massivt föremål som en planet. Månen färdas genom jordens gravitationsbrunn och håller den i omloppsbana - ca. NASA
En 'Einstein-ring' skapad av Luminous Red Galaxy LRG 3-757 – den röda mittpunkten i bilden. Hästskoformen som omger galaxen är en mer avlägsen galax bakom LRG 3-757 i bakgrunden. Det inkommande ljuset från den mer avlägsna bakgrundsgalaxen böjes KRING LRG 3-757 i förgrunden på grund av gravitationslinser som gör att vi kan se den mer avlägsna galaxen även om den ligger bakom förgrundsgalaxen – ca. NASA/HUBBLE
Eftersom vår sols gravitation fokuserar ljus, kan ett mottagande eller sändande farkost placeras längs en axel som löper mellan en avlägsen målstjärna där en signal kan komma från, solen, och en brännpunkt där solen fokuserar den signalen från målstjärnan. Målstjärnan är då direkt mittemot rymdfarkosten på andra sidan solen som rymdfarkosten inte ser igenom utanrunt omkringsolen när solen böjer ljus runt sig på grund av gravitationen. Föreställ dig det som en ögonglob – solen är linsen i ditt öga med rymdfarkosten på baksidan av din näthinna (men ljuset går runt glaset på 'linsen' snarare än genom det).
När signaler tas emot kan farkosten vidarebefordra information till jorden eller skicka signalen till en annan sändare/mottagare stationerad runt solen i linje med en annan avlägsen målstjärna för att vidarebefordra signalen. En anslutning till ett annat stjärnsystem skulle kräva en annan farkost stationerad vid den avlägsna målstjärnan. Vi har ännu inte etablerat ett nätverk som detta, men kanske andra civilisationer har gjort det.
Hur ögat fokuserar ljus. Föreställ dig att den bortre punkten är den avlägsna målstjärnan, linsen är solens gravitationslinseffekt och näthinnan är där en mottagande kommunikationsfarkost skulle vara. c.Public Domain
Långt ut
Med hjälp av relativitetsteori kan ett mått på vår sols minsta brännvidd ute i rymden bestämmas...550AU ca.tretton gångeravståndet till Pluto. För närvarande är vår mest avlägsna sond Voyager 1 som lanserades 1977 och som efter 44 års flygning är 154,7 AU (cirka 21 och en halv timme med ljusets hastighet) ute i rymden. Och 550AU representerar baraminimumbrännvidd där ljuset från ett mål kröker sig runt solens yta snarare än att förloras i själva solen. Vissa mål kan fokuseras av solen ännu längre ut i rymden. Med vår nuvarande teknik skulle vi kunna parkera en rymdfarkost så långt, men det skulle ta lång tid att komma dit. När vår framdrivningsteknik förbättras blir ett sådant uppdrag ännu mer möjligt.
Hur mycket signalförstärkning kan solens gravitationslins uppnå?Mycket. Uppskattningar i forskningen visar att en inkommande överföring fokuserad av solen kan öka vinsten med 120db (decibel). Ett intervall på tio decibel representerar en ökning med tiofaldig styrka ... alltså 10biljonflerfaldig ökning av signalförstärkningen – motsvarande att gå från ett knappt hörbart viskande till en liverockkonsert. Den ökade förstärkningen innebär att du inte behöver distribuera superkraftiga sändare för brute force-meddelanden över tomrummet eller på samma sätt ultrakänsliga mottagare. Vi kan använda den mer effektiva naturliga signalförstärkningen som skapas av solens gravitation.
'Stjärnor fungerar som linser, vilket betyder att de ger ett naturligt och kraftfullt sätt att förstärka signaler över interstellära avstånd. En analogi kan vara kullar och mobiltorn: visstskulle kunnabygga ett mobilnät utan att sätta några torn på kullar, men om kullarna ändå finns där, varför skulle du inte använda dem? Så om det finns ett 'galaktiskt internet' där ute skulle det vara förvånande om det inte utnyttjade dessa linser.'
-Jason Wright
Thrusters vid Station Keeping
Att behålla fokus är en utmaning. Med hjälp av thrusters kommer en rymdfarkost som sänder eller tar emot signaler vid den idealiska brännpunkten att behöva hålla positionen relativt solen inom hundra meter. Tänk på det - sub kilometer positioneringsnoggrannhet medanmiljarderkilometer bort. Exakt inriktning kommer att kräva automatiserad justering av rymdfarkosten mot två huvudorsaker till felinriktning. Den första är tyngdkraften inåt från solen själv. På det extrema brännviddet är solens gravitation relativt svag jämfört med där vårt solsystems planeter kretsar. Men att förlora dragkraften skulle fortfarande få farkosten att falla in i solsystemet i en excentrisk 'kometliknande' omloppsbana som så småningom störtar in i själva solen om några tusen år.
Den andra stora orsaken till felinställning är solens vinglande rörelse. En stjärnas planeters omloppsbana, särskilt massiva gasjättar som Jupiter, får en stjärna att vingla när dess planeter utövar en gravitationskraft. Vår sols vingling är den största störningen av inriktningen mellan en avlägsen målstjärna, solen och en kommunikationsfarkost. Farkosten skulle kunna utrustas med en optisk kikarsikte som skulle vidarebefordra positionsinformation till farkostens styrdator med hjälp av andra stjärnors relativa position. Alternativt kan teleskopet peka mot solen för att säkerställa att målstjärnan från vilken en signal tas emot är fixerad i solens Einstein-ring. Precis som Einstein Ring-bilden av LRG 3-757 ovan visar hur en avlägsen bakgrundsgalax lyserrunt omkringen närmare förgrundsgalax, en avlägsen målstjärna från vilken rymdfarkosten tar emot en överföring skulle framstå som en ring av ljus som omger solen ur farkostens perspektiv.
Den vinglande effekten av en stjärna på grund av en planets bana i stjärnans solsystem c.NASA
Vilka stjärnor skulle vara idealiska noder i ett hypotetiskt nätverk? Författarna rekommenderar att man letar efter sfäriska stjärnor som kräver mindre fokusjustering och därför mindre bränsleförbrukning för rymdfarkosten. Mindre sfäriska stjärnor förvränger signalerna. Även vår sol är inte perfekt sfärisk. Stjärnor med snabbare rotationshastigheter buktar ut mot sin ekvator och är mindre idealiska. Mer massiva stjärnor med mer gravitation utövar mer drag på rymdfarkosten. Stjärnor med fler planeter, eller med gasjättar i nära banor – heta Jupiters – har en mer uttalad wobbling som kräver mer dragkraft för att bibehålla positionen. Stjärnor med följeslagningsstjärnor, binära eller trenära system, kommer att ha ännu mer uttalade vinglar.
Vad är Gravitational Lensing – Video av Fraser Cain från Universe Today
En kommunikationsfarkost med ett effektivare framdrivningssystem skulle kunna behålla position och fokus under en längre tid. Med solen som ett exempel på solsystem kan en rymdfarkost som använder vår kemiska raketframdrivning behålla fokuspositionen i några hundra år. Med tanke på ljusets restid mellan stjärnor i vår galax – dussintals, hundratals eller till och med tusentals år – är detta inte en betydande tid. Med jonpropeller, som också används av några av våra nuvarande satelliter och sonder, kan du behålla fokus i nästan ett årtusende. Men tänk om du var en främmande civilisation med mer avancerad framdrivningsteknik?
Är vi i slingan?
Vi experimenterar redan med fusionsbaserade raketer som skulle kunna stabilisera ett farkost i tiotusentals år. Utöver vår nuvarande teknik, men hypotetiskt möjlig, finns ett antimateria-framdrivningssystem som kan stabilisera en farkost förmiljonerår. Exotiska thrusters som antimateria kan vara lättare att upptäcka än andra former av framdrivning, vilket innebär att detärett kommunikationshantverkredani vårt solsystem placerat där av en annan civilisation kanske vi kan se det.
Vad menar jag med 'redan?' Författarna noterar att det är möjligt att solen är detnuvarandeen medlem av ett kommunikationsnätverk – en nod bland många som är värd för en utomjordisk kommunikationsbåt. Hur skulle vi inte redan vara medvetna om det? Tja, om ett utomjordiskt rymdskepp använder vår sols gravitationslins kommer det att vara svårt att upptäcka eftersom det skulle vara hundratals AU bort – ett framtida intresseområde för artefakt SETI-forskning (Search for Extraterrestrial Intelligence som söker efter utomjordiska artefakter). Ett exotiskt framdrivningssystem kan ge bort det. Dessutom formas signalerna som fokuseras av gravitationslinser till en smal kon som jorden kanske inte kretsar igenom. Om jorden inte passerar genom denna signalkon, passerar ett nätverk av främmande kommunikationsmoln rakt genom vårt solsystem oupptäckt – en förklaring till galaxens tystnad om det finns främmande civilisationer som använder gravitationslinssignaler.
'Om en ETI kan övervinna de tekniska utmaningarna vi undersökte, skulle de kunna använda gravitationslinser för att skicka överföringar över galaxen i ett stort nätverk av kommunikationsnoder. De kunde övervinna de enorma utrymmena och kommunicera mer tillförlitligt. Även om vi behöver göra observationer för att se om solen eller en annan stjärna används för detta ändamål, ger det också en plan för hur mänskligheten kan kommunicera över galaxen i en avlägsen framtid.'
-Stephen Kerby, huvudförfattare
Om vi antar att gravitationslinser används för interstellär kommunikation, och att vissa stjärnsystem kan göra bättre mottagnings-/sändningspunkter än andra, skulle vi kunna begränsa radio SETI-sökningar (Search for ETI using radio transmissions) till dessa idealiska system. En mer fullständig undersökning av närliggande stjärnsystem skulle avslöja om de är bättre nätverkskandidater – sfäriska stjärnor med mindre vingling. Vi kunde sedan söka efter utgående/inkommande signaler från en region motsatt deras plats i vårt eget solsystem där deras ljus skulle fokuseras av vår sol mot en potentiell sändande/mottagande farkost.
Författarna föreslår även två andra stationshållningsalternativ. Först kan du placera en bränsledepå nära den idealiska fokusplatsen som kommunikationsfarkosten använder för att tanka. För det andra kan en hel konstellation av kommunikationsfarkoster placeras i omloppsbana om solen. Var och en skulle bibehålla sin position under en kort stund och sedan låta sig falla ur sin plats, kretsa runt solen och sedan återgå till sin position. Farkosten skulle upprepa denna omloppsbana i sekvens med andra sonder så att varje rymdfarkost minskade den totala bränslekostnaden som krävs förbli på plats medan minst ett farkost alltid förblev i fokus. Om en utomjordisk civilisation använder flera farkoster i ett system, så finns det en bättre chans att upptäcka en enskild farkost.
James Webb rymdteleskop 6,5 m primärspegel. Däremot är Hubble Space-teleskopets spegel bara 2,4 meter lång
c. NASA/JPL
Super Scopes
Efter år av förseningar är det mycket efterlängtade rymdteleskopet James Webb lanseras snart (preliminärt 18 decthi år). James Webb nyligen avslutat en resa till sjöss till dess lanseringsplats i Franska Guyana. Denna nästa generations scope kommer att ge oöverträffade vyer av universum.Menprecis som solens linseffekt ökar signalförstärkningen, så skulle effekten också förstora avlägsna stjärnsystem och andra kosmiska objekt och skapa ett gigantiskt superteleskop. En gravitationskopi skulle vara mycket kraftfullare än något vi har skapat kan tittar på explaneter med en liknande klarhet som vi ser planeterna i vårt eget solsystem!
Under tiden väntar vi med spänning på de första JWST-bilderna. Och om vi någonsin lanserar ett gravitationslinsskop/sändare, kanske vi hittar en annan redan där ute från någon annan! Det är otroligt att tänka på att det kanske, KANSKE det redan finns en motorväg av kommunikationstrafik som passerar genom vårt system. Vem vet vilka samtal vi går miste om – uråldriga planetariska undersökningar, ny avancerad teknik...interstellära avhämtningsbeställningar? Vi kanske får reda på det!
'Sökandet efter utomjordisk intelligens är så multidisciplinärt att forskare från alla områden kan bidra. Det är en vision om mångsidig och fördomsfri utforskning som borde vara ett mål för det vetenskapliga samfundet, och det är mycket givande för mig att lära mig av astronomer från olika akademiska och personliga bakgrunder. SETI fångar också allmänhetens fantasi och hjälper alla att reflektera över mänsklighetens plats i kosmos.'
-Stephen Kerby, huvudförfattare
Följ Matthew för fler rymliga berättelser om Instagram och Twitter
Funktionsbild:Fig 1 från Kerby och Wright 2021 'Ett schema över ett på axeln stjärnreläöverföringssystem, öppningsvinklar, avstånd och storlekar som inte är skalenliga. Den initiala ofokuserade transmissionsstrålen kan till och med ha ett ringformigt mönster för att förhindra att flödet går förlorat till solens skiva. Ett omvänt arrangemang kan användas för att ta emot signaler från en avlägsen stjärna genom att fokusera strålar på rymdfarkosten.' c. Kerby och Wright 2021
Mer att utforska
[2109.08657] Stellar Gravitational Lens Engineering för interstellär kommunikation och artefakt SETI (arxiv.org) (Ursprunget Open Access Research-artikel av Kerby och Wright)
Stephen Kerby | Eberly College of Science (psu.edu)
Jason T Wright | AstroWright (psu.edu)
ESA – ESA välkomnar Webb i Franska Guyana för lansering på Ariane 5
Plasma Thruster kunde dramatiskt minska flygtiderna till det yttre solsystemet – universum idag