SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

Все эти особенности заставили предположить, что мы столкнулись с совершенно новой, неизвестной субстанцией, которую первооткрыватели выразительно назвали «мистериум». В истории астрономии известны похожие случаи. Так, в течение длительного времени не удавалось отождествить яркие эмиссионные линии в оптических спектрах планетарных туманностей. Тогда, по аналогии с гелием, который не был известен химикам и первоначально был обнаружен тоже по спектру в атмосфере Солнца, а лишь затем найден на Земле, — предположили, что и линии излучения планетарных туманностей принадлежат новому химическому элементу «небулию». Но, в отличие от гелия, для «небулия» не было места в периодической системе элементов Менделеева. Надо было искать среди известных элементов. Загадка «небулия» была решена в 1927 г. И. Боуэном, который показал, что «небулярные» линии излучаются при запрещенных переходах ионизированных атомов кислорода и азота. Также в течение почти 70 лет астрономы не могли отождествить яркие линии в спектре солнечной короны. Предполагалось, что они излучаются особым элементом — «коронием». И лишь в 1940-х годах корональные линии были отождествлены с запрещенными переходами атомов, находящихся в очень высокой степени ионизации. Так, самая интенсивная зеленая корональная линия (λ = 5303 Å) принадлежит тринадцатикратно ионизированному атому железа. Конечно, в то время, когда эти линии были обнаружены, такое отождествление не могло быть сделано хотя бы потому, что тогда не существовало понятие 13-кратно ионизированного атома железа, ибо в то время вообще не была еще известна современная модель строения атома, состоящего из ядра и электронов. Любопытно однако, что на правильное решение указывалось более ста лет назад в одном из писем Махатм Синнету. Так, в письме 1882 г. говорится: «Линия короны, наблюдаемая через лучший “дифракционный спектроскоп”, может казаться и не совпадающей с линией железа (имеется в виду линия поглощения в спектре фотосферы — Л.Г.). Но тем не менее корона содержит железо, как и другие пары. Сообщать вам, из чего они состоят, — бесполезно, ибо я не в состоянии перевести слова, которыми мы для этого пользуемся, да и вещества такого нет больше нигде (по крайней мере в нашей Солнечной системе) — кроме как на Солнце»[35].

Но вернемся к «мистериуму». Имеется существенное отличие между «мистериумом», с одной стороны, и «коронием» и «небулием» — с другой. Линии «корония» и «небулия» не обладали никакими необычными свойствами, но их было трудно отождествить с известными химическими элементами. В случае «мистериума» дело обстоит как раз наоборот. Линии «мистериума» прекрасно отождествляются (совпадают по частоте) с линиями гидроксила ОН. Это относится ко всем четырем линиям, ибо вскоре после обнаружения главных эмиссионных линий 1667 и 1665 МГц были обнаружены также эмиссионные линии на частотах 1612 и 1720 МГц. Трудность состояла не в отождествлении, а в необычном, необъяснимом поведении обнаруженных эмиссий. Это и нашло отражение в названии «мистериум».

Конечно, возникло предположение, что виновниками «мистериума» являются «внеземные цивилизации»[36]. Это предположение было небеспочвенным. Помимо уже отмеченных удивительных особенностей оказалось, что профиль линий «мистериума» в некоторых источниках очень быстро меняется: отмечено заметное изменение интенсивности компонент линии ото дня ко дню. Угловые размеры источников «мистериума» оказались порядка (или меньше) тысячных долей угловой секунды. Наконец, в отдельных компонентах была обнаружена почти 100 %-ная круговая поляризация.

То есть источники «мистериума» обладали всеми ожидаемыми свойствами искусственного источника. Против гипотезы, связывающей «мистериум» с внеземными цивилизациями, говорило то, что феномен ассоциировался с хорошо известными в астрономии самыми обычными газовыми туманностями. Причем он оказался довольно распространенным: примерно в 50 % всех газовых туманностей было обнаружено излучение «мистериума». Надо было искать какой-то естественный (конечно, сильно неравновесный) механизм, который мог бы объяснить наблюдаемые особенности эмиссии ОН. И такой механизм был найден — им оказалось мазерное излучение.

Что такое мазерное излучение? Многие знают, что есть такой оптический прибор лазер — квантовый генератор и усилитель оптического излучения, с помощью которого можно получить очень интенсивные узконаправленные монохроматические световые пучки. Аналогичный прибор, только действующий в радиодиапазоне, получил название мазер.

Рис. 1.8.2. Схема накачки космического мазера.Внешнее излучение (в оптической области спектра) или столкновения молекул переводят молекулы с нижних энергетических уровней 1 и 2 на верхний уровень 3. С уровня 3 молекулы самопроизвольно переходят на уровни 1 и 2. Если вероятность перехода 3 → 2 выше, чем 3 → 1, то на уровне 2 может накопиться больше молекул, чем на уровне 1. Возникает инверсная населенность уровней, которая является причиной мазерного радиоизлучения 2 → 1

Все особенности эмиссионных линий ОН, которые поначалу так удивили исследователей, удалось объяснить с помощью мазерного механизма. В дальнейшем было обнаружено мазерное излучение других молекул в межзвездной среде: молекулы воды Н₂О на частоте 22,2 ГГц (длина волны 1,35 см), молекулы метилового спирта СН₃ОН на волне 1,2 см и кремния SiO в миллиметровом диапазоне спектра.

Гипотеза искусственного происхождения эмиссионных линий ОН продержалась недолго. Но значение их для проблемы SETI, по-прежнему, велико. Прежде всего, как было установлено, источники мазерного излучения ОН являются областями, где происходит процесс звездообразования. По этому поводу И. С. Шкловский, который впервые выдвинул эту гипотезу, образно заметил: «...новорожденная звезда оповещает о своем рождении всю Галактику, пользуясь новейшей техникой квантовой радиофизики...». Далее, если в определенной области межзвездной среды реализуются условия для действия космического мазера, то он будет усиливать не только естественное излучение данной частоты, но и искусственный сигнал на частоте мазера, проходящий через мазерное облако. Эта идея была использована при поиске радиосигналов ВЦ. Наконец, частота радиолиний гидроксила (так же, как и линии водорода 21 см) относится к числу так называемых «магических» частот, на которых ведется поиск радиосигналов. А интервал частот между линией водорода 1420 МГц и самой низкочастотной линией гидроксила 1612 МГц (так называемая «водяная дыра» или «водяная щель») рассматривается как область, отведенная космическими цивилизациями для межзвездной связи.

Еще более драматическая история произошла в связи с открытием пульсаров. Это случилось в 1967 г., когда загадка «мистериума» уже была решена. По мнению И. С. Шкловского, открытие пульсаров можно отнести к числу самых выдающихся открытий XX века. Как и всякое истинное открытие, оно было сделано совершенно случайно.

В июле 1967 г. на Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета (Англия) вступил в строй новый радиотелескоп метрового диапазона волн. Его антенна состоит из 2048 диполей, расположенных в 16 радов по 128 диполей в каждом в направлении восток-запад, образуя прямоугольник размером 470 × 45 м. Телескоп предназначался для исследования радиоисточников методом мерцаний. Мерцания возникают при рассеянии радиоволн на неоднородностях межзвездной среды и позволяют оценить некоторые параметры источника, например, его угловые размеры. Эффект аналогичен мерцанию звезд при распространении света в земной атмосфере. Работа проводилась под руководством известного радиоастронома А. Хьюиша, впоследствии удостоенного Нобелевской премии. Для регистрации быстрых изменений радиопотока (мерцаний) использовалась радиоприемная аппаратура с малой постоянной времени. Это обстоятельство оказалось решающим для обнаружения пульсаров.

Наблюдения проводились на частоте 81,5 МГц, в полосе 1 МГц, с постоянной времени 0,1 с. Почти сразу же после начала наблюдений, в августе 1967 г., был зарегистрирован довольно сильный сигнал в виде периодически повторяющихся импульсов. Длительность каждого импульса составляла 0,3 с, а период их повторения 1,337 с, т. е. промежуток времени между импульсами составлял около 1 секунды. Дальнейшие наблюдения позволили уточнить значение периода и показали, что он сохраняется постоянным с точностью до 10^-7(!).

Излучение было обнаружено молодой аспиранткой Джоселин Белл, именно она обратила внимание на периодически появляющиеся импульсные сигналы. Поначалу этому не придали большого значения, так как радиоастрономы довольно часто регистрируют импульсные помехи от наземных радиолокационных станций, самолетных радаров и других технических средств, созданных людьми. По своим характеристикам принятые сигналы напоминали подобные помехи. Однако дальнейшие исследования показали, что источник импульсных сигналов занимает неизменное положение среди звезд, для земных помех это невозможно. Измерение координат источника и сравнение с имеющимися каталогами показало, что в этом месте на небе ранее никаких радиоисточников не наблюдалось. Был оценен параллакс источника, он не превышал 2 угловые минуты, следовательно, расстояние до источника больше 1 000 астрономических единиц[37], т. е. он находится за пределами Солнечной системы. Итак, был обнаружен космический источник импульсных сигналов! Ничего подобного ранее не наблюдалось, да и вообразить такое было трудно.

Впоследствии, когда были обнаружены другие такие же источники, они получили название пульсары (от английского слова puls — импульс). Пульсар, впервые обнаруженный группой Хьюиша, получил обозначение СР 1919, что означает: кембриджский пульсар с координатами по прямому восхождению 19^h 19^m.

Излучение пульсара СР 1919 наблюдалось в виде серии импульсов длительностью около 1 минуты, затем в течение 3 минут излучение отсутствовало, а потом импульсы появлялись вновь. Амплитуда импульсов менялась от одной серии к другой и внутри каждой серии — от одного импульса к другому. Наиболее мощные импульсы имели плотность потока порядка 20 янских[38], в то время как средняя за минуту плотность потока не превышала 1 Ян.

Обнаружение пульсара СР 1919 поставило перед исследователями сложную проблему — о природе источника. Астрономам хорошо были известны многочисленные переменные звезды различных типов, наблюдаемые в оптическом диапазоне спектра. Однако они не дают импульсного излучения: при изменении блеска излучение звезды не падает до нуля. Да и временной масштаб процессов совсем иной. Изменения блеска звезд вызваны либо пульсациями их поверхности, либо затмением одной звезды другой в двойной системе. Затменно-переменные звезды имеют периоды от долей суток до 10⁴ суток, пульсирующие звезды — от долей до нескольких десятков суток. Наибольшей стабильностью периодов обладают цефеиды, при этом их периоды составляют от 1 до 50 суток. Но периодов порядка одной секунды не известно в мире переменных звезд!

Наблюдаемые параметры пульсара — импульсный характер радиоизлучения, очень малый период следования импульсов и его высочайшая стабильность (наиболее впечатляющее свойство!), чередование периодов излучения и периодов «выключения» источника, изменение интенсивности импульсов — все это наводило исследователей на мысль, что они столкнулись с каким-то организованным сигналом искусственного происхождения. Поскольку версия о земных помехах не подтвердилась, оставалось предположить, что обнаружен сигнал внеземной цивилизации. Эта возможность рассматривалась настолько серьезно, что группа Хьюиша решила засекретить свое открытие. Даже на ближайшей обсерватории Джодрелл Бэнк ничего не знали об открытии загадочного источника. Впоследствии в одном из газетных интервью А. Хьюиш рассказывал:

«Когда мы впервые увидели эти радиоволны, перенесенные на бумагу нашими самописцами, нас охватил страх. Да-да, страх. Нам захотелось взять все эти бумажки, записи, расчеты — и сжечь. Дело было в ноябре[39]. Неделю мы пребывали в ужасном волнении, никто не знал, что и думать, какое решение принять. Я совсем лишился сна. <...> Это очень серьезная проблема, и нельзя допустить, чтобы решали ее астрономы или журналисты, или политические деятели одной какой-нибудь страны»[40].

В настоящее время правовые и политические проблемы, возникающие в связи с возможным обнаружением сигналов ВЦ, изучаются в Международной Астронавтической Академии совместно с Международным институтом космического права. Но в то время исследователи столкнулись с совершенно неожиданной ситуацией.

Волнение Хьюиша улеглось, когда были открыты еще три пульсара: СР 0834, СР 0950. СР 1133. Все они обладали сходными характеристиками. Это давало основание полагать, что действительно открыт новый, неизвестный ранее класс радиоисточников. Думать, что четыре сходные цивилизации, расположенные в разных местах Галактики, одновременно удостоили нас своим вниманием, видимо, считалось слишком самонадеянным. Хотя, в принципе, одновременное обнаружение нескольких цивилизаций, особенно при изотропном (всенаправленном) излучении, вполне возможно. Обсуждалась также возможность того, что пульсары являются навигационными маяками или частями коммуникационной сети, связывающей высокоразвитые цивилизации. Однако эти возможности представлялись уже мало вероятными. Как бы там ни было, завеса секретности была снята, и в феврале 1968 г. в «Nature» появилась статья А. Хьюиша с сотрудниками об открытии пульсара СР 1919[41].

Статья вызвала настоящий бум. Начались интенсивные поиски и изучение пульсаров. К настоящему времени известно более 1000 пульсаров. Подробно изучены их характеристики. Некоторые пульсары излучают также в оптическом и рентгеновском диапазоне. Вначале предполагали, что пульсары связаны с радиальными колебаниями (пульсациями) белых карликов. Однако после того как были открыты коротко-периодические пульсары (с периодом меньше одной секунды) от этой гипотезы пришлось отказаться. Сейчас общепринятым является представление, что пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда.

Так закончилась история с «зелеными человечками», «посылающими» нам удивительно регулярные импульсные сигналы. После «мистериума» и пульсаров других сенсационных открытий в астрономии, которые можно было бы связать с внеземными цивилизациями, больше не отмечалось. Поиски сигналов ВЦ вступили в спокойную фазу. Каково же состояние радиопоисков к началу нового века?

1.9. Радиопоиск: век двадцатый

За первое десятилетие (1960-1970) в США и СССР было проведено 4 эксперимента по поиску радиосигналов. В последующие годы число экспериментов стало быстро расти, к поискам подключились другие страны: Австралия, Аргентина, Канада, Франция, ФРГ, Нидерланды, Япония. К концу века число экспериментов перевалило за пятьдесят. Для поиска, наряду с малыми и средними инструментами, были использованы крупнейшие радиотелескопы. Это обстоятельство особенно примечательно. Известно, какая жесткая конкуренция существует между исследовательскими программами и как трудно получить наблюдательное время на крупных телескопах. В этих условиях готовность специалистов предоставлять значительное время на больших инструментах для задач SETI свидетельствует о признании научной значимости проблемы. Мы расскажем о некоторых наиболее значительных проектах. Читателя, заинтересованного в более подробных деталях, отсылаем к обзору Джилл Тартер[42] и двум статьям автора[43]^, [44]. О работах, выполненных в СССР и России, будет подробно рассказано в гл. 7.

Одним из наиболее значительных проектов был обзор неба на волне 21 см, выполнявшийся на обсерватории Огайского университета США, начиная с 1973 г. Использовался радиотелескоп системы Крауса (рис. 1.9.1), состоящий из двух отражателей: неподвижного параболического рефлектора (110 × 20 м) и вращающегося вокруг горизонтальной оси плоского отражателя длиной 80 м и высотой 30 м. Радиотелескоп Крауса принадлежит к числу меридианных инструментов, его ось постоянно направлена в плоскости меридиана. Как мы уже отмечали в § 1.7, благодаря суточному вращению Земли через диаграмму радиотелескопа проходят источники, кульминирующие на заданной высоте над горизонтом, т. е. имеющие заданное склонение. Вращая плоский отражатель можно менять высоту диаграммы над горизонтом и, следовательно, склонение наблюдаемых источников.

Рис. 1.9.1. Радиотелескоп Крауса

Если выбрать звезды спектральных классов F, G, K (т. е. близкие по своему типу к Солнцу), расположенные на расстоянии 1000 св. лет, то в любой момент времени какие-то три из них будут находиться «в поле зрения» (в диаграмме) радиотелескопа. Если вблизи них существуют цивилизации, излучающие на волне 21 см в сторону Солнца, то сигнал, в принципе, может быть зарегистрирован. Однако при приеме узкополосных сигналов возникает трудность, связанная с неопределенностью частоты. Так как отправитель сигналов и получатель движутся друг относительно друга в пространстве, то вследствие эффекта Доплера частота радиоизлучения в точке приема отличается от частоты в точке излучения. Поскольку в условиях поиска ни отправитель, ни получатель заранее ничего не знают друг о друге, их относительная скорость и, следовательно, смещение частоты сигнала остается неизвестной. Чтобы исключить эту неопределенность, Р. Диксон предложил руководствоваться принципом антикриптографии., согласно которому каждый из партнеров по связи корректирует частоту сигнала к некоторому общему для всех стандарту частоты. В качестве такого стандарта, по мнению Диксона, должна приниматься частота источника, неподвижного относительно центра Галактики. В соответствии с этим Огайский обзор проводился на частоте радиолинии водорода 1420,4 МГц, скорректированной к центру Галактики. Использовался многоканальный приемник. Вначале он содержал 8 каналов, затем их число было увеличено до 50, а потом до 3000 каналов. Планировалось подключить к приемнику систему SERENDIP (см. ниже) с 4 миллионами каналов, но пока эта планы не удалось осуществить.

Наблюдения по программе SETI были начаты в декабре 1973 г. и продолжались до середины 1990-х годов. Во время проведения этих наблюдений над обсерваторией поднимался специальный флаг SETI[45]. За время наблюдений обнаружено несколько интересных, с точки зрения SETI, источников, излучающих в очень узкой полосе частот. Но особенно любопытный сигнал был зарегистрирован в августе 1977 г.[46] Он получил название «Ого-го!». Приблизительно так можно перевести на русский язык возглас «Wow!», который взволнованный оператор записал около этого сигнала на ленте самописца. Сигнал был очень интенсивным, во много раз превышающим уровень шума, наблюдался он только в нескольких спектральных каналах. Характеристики сигнала позволяли уверенно исключить земные помехи и указывали на его явно внеземное происхождение. Источник располагался вблизи плоскости эклиптики. Наблюдался он очень короткое время, а затем исчез и больше не появлялся. Отождествить его так и не удалось. Может быть, это и был долгожданный сигнал ВЦ?!

Несколько поисковых экспериментов было выполнено на самом крупном в мире радиотелескопе Аресибо (США) (рис. 1.9.2). Это «полуподвижный» инструмент (земляная чаша). Удачно используя рельеф местности, конструкторы создали сферическое зеркало диаметром 305 м. Само зеркало неподвижно, однако оно снабжено подвижным облучателем, который перемещается вдоль фокальной линии с помощью специальной фермы, подвешенной над зеркалом. Таким образом, телескоп можно наводить в различные точки неба в пределах ограниченного угла ±20° от зенита.

[35] Чаша Востока. Письма Махатм. — Рига-Москва, 1992. С. 204. Подробней см. Бронштэн В.А. Махатмы и астрономия // Мир Огненный. 1996. № 1(9). С. 44-57; Бронштэн В.А. Загадка «короны» // Земля и Вселенная. 1996. № 4. С. 48-54; Гиндилис Л.М. Проблема сверхнаучного знания // Новая Эпоха. 1999. № 1 (20). С. 96-103; №2(21). С. 68-79.

[36] Shklovskii I. S. and Sagan Carl. Intelligent Life in the Universe. — San Francisco: Holden-Day Inc., 1966. P.389; Barrett A. H. Radio Observation of Interstellar Hudroxyl Radicals. Have we discovered a gigantic maser, or could we be detecting interstellar communications? // Science. 1967. V. 157. P. 889; Sagan C. OH emission regions and extraterrestrial intelligence // Astrophys and Space. Sci. 1968. V. 1. P. 273.

[37] Астрономическая единица (сокращенно а. е.) — единица длины, равная расстоянию от Земли до Солнца, приблизительно 150 млн км.

[38] Янский (сокращенно Ян) — единица плотности потока, принятая в радиоастрономии. 1 Ян = 10-26 Вт/(м2 • Гц).

[39] Первые записи были сделаны в августе, по систематические исследования начаты в ноябре.

[40] «Литературная газета», 1 мая 1968 г.

[41] Hewish A., Bell S.J., Pilkington J.D.H., Scott P.F., Collins R.A. Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source // Nature. 1968. V. 217. P. 709-713.

[42] Тартер Дж. Обзор экспериментальных исследований по поиску сигналов ВЦ в радио- и оптическом диапазонах / Проблема поиска жизни во Вселенной — М.: Наука, 1986. С. 170-182.

[43] Гиндилис Л.М. Поиски сигналов внеземных цивилизаций // Земля и Вселенная. 1986. №6. С. 18-28.

[44] Гиндилис Л.М., Сатаринов А.С. SETI: 90-е годы // Земля и Вселенная. 1995. № 6. С. 37-46.

[45] нем.: Земля и Вселенная. 1982. № 4. С. 57.

[46] “Земля и Вселенная. 1980. № 5. С. 37