Blog

Fortgeschrittene Zivilisationen könnten ihre Sterne zur Kommunikation (und als Teleskope) verwenden

Ein Ferngespräch

E. T. schaffte es, mit zu Hause anzurufen ein Speak and Spell, ein Kreissägeblatt und ein Regenschirm . Die Realität der interstellaren Kommunikation ist etwas komplizierter. Der Raum ist wirklich sehr groß. Die Energie, die benötigt wird, um ein Signal durch die Leere zu übertragen, ist enorm. Anstatt jedoch Super-High-Power-Sender zu verwenden, wurden neuere Forschungen von Stephen Kerby und Jason T. Wright zeigt, dass wir einen natürlichen Signalverstärkungsschub nutzen könnten, der in Sonnensysteme eingebaut ist – die Gravitationslinse des Sterns eines Sonnensystems. Die Vernetzung einer Reihe von Sternen als Knoten könnte Signale über weite Teile der Milchstraße hinweg empfangen. Und wir können vielleicht erkennen, ob unsere SonneschonTeil eines außerirdischen galaktischen Kommunikationsnetzwerks.

Entfernte Satelliten in den Weiten des Sonnensystems können die natürliche Fokussierung des Lichts durch die Sonne nutzen, um über den Weltraum zu kommunizieren – c. NASA

Wie ein schwerer Ball, der auf einem Trampolin platziert wird, bewirkt ein massives Objekt wie ein Stern eine Krümmung des Weltraums, wodurch ein „Schwerkraftbrunnen“ entsteht. Sowohl Masse als auch Energie, die sich durch den gekrümmten Raum bewegen, folgen dieser Kurve. Zum Beispiel ist unsere Umlaufbahn um die Sonne buchstäblich die Erde, die der Kurve im Weltraum folgt, die von der Masse unseres Sterns gebildet wird. Wenn Licht durch den Raum wandert, folgt sein Weg auch diesen Kurven, wodurch das Licht gebeugt wird. Der Effekt ist ähnlich wie die Lichtkrümmung durch eine Glaslinse, weshalb die Lichtkrümmung aufgrund der Schwerkraft genannt wird „Gravitationslinsen“ . Wie eine Linse können Sterne eine entfernte Lichtquelle, wie beispielsweise ein Funksignal, fokussieren, wodurch die Signalverstärkung stark erhöht wird oder auch ein ausgehendes Signal für eine bessere Übertragung fokussiert wird. Gravitationslinsen sind auch für unsere 'Einstein-Ringe' genannten Teleskope sichtbar, da es Einsteins Arbeit zur Relativitätstheorie war, die den Raum der Massenkurven demonstrierte.

Darstellung eines Gravitationsbrunnens – die Krümmung des Weltraums, die von einem massiven Objekt wie einem Planeten erzeugt wird. Der Mond reist durch die Schwerkraft der Erde und hält ihn in seiner Umlaufbahn – c. NASA

Ein „Einstein-Ring“, erstellt von Luminous Red Galaxy LRG 3-757 – der rote Mittelpunkt im Bild. Die Hufeisenform, die die Galaxie umgibt, ist eine weiter entfernte Galaxie hinter LRG 3-757 im Hintergrund. Das einfallende Licht der weiter entfernten Hintergrundgalaxie wird aufgrund der Gravitationslinsen UM LRG 3-757 im Vordergrund gebogen, sodass wir die weiter entfernte Galaxie sehen können, obwohl sie sich hinter der Vordergrundgalaxie befindet – c. NASA/HUBBLE

Da die Schwerkraft unserer Sonne das Licht fokussiert, kann ein empfangendes oder sendendes Fahrzeug entlang einer Achse platziert werden, die zwischen einem entfernten Zielstern, von dem ein Signal ausgehen kann, der Sonne, und einer Brennlinie verläuft, auf der die Sonne das Signal des Zielsterns fokussiert. Der Zielstern befindet sich dann direkt gegenüber der Raumsonde auf der anderen Seite der Sonne, durch die die Raumsonde nicht hindurch sieht, sondernum herumdie Sonne, da die Sonne aufgrund der Schwerkraft das Licht um sich selbst biegt. Stellen Sie es sich wie einen Augapfel vor – die Sonne ist die Linse Ihres Auges mit der Raumsonde die Rückseite Ihrer Netzhaut (aber das Licht geht um das Glas der „Linse“ herum und nicht durch sie hindurch).

Wenn Signale empfangen werden, könnte das Fahrzeug Informationen an die Erde weiterleiten oder das Signal an einen anderen Sender/Empfänger senden, der um die Sonne herum stationiert ist und auf einen anderen entfernten Zielstern ausgerichtet ist, um das Signal weiterzuleiten. Eine Verbindung zu einem anderen Sternensystem würde ein anderes Raumfahrzeug erfordern, das auf dem entfernten Zielstern stationiert ist. Wir müssen noch ein solches Netzwerk aufbauen, aber vielleicht haben es andere Zivilisationen.

Wie das Auge das Licht fokussiert. Stellen Sie sich vor, der Fernpunkt ist der entfernte Zielstern, die Linse ist der Gravitationslinseneffekt der Sonne und die Netzhaut ist der Ort, an dem sich ein empfangendes Kommunikationsraumfahrzeug befinden würde. c.Public Domain

Weit

Mit Hilfe der Relativitätstheorie kann eine Messung der minimalen Brennweite unserer Sonne im Weltraum bestimmt werden… 550 AU ungefährdreizehn maldie Entfernung zu Pluto. Derzeit ist unsere am weitesten entfernte Sonde Voyager 1, die 1977 gestartet wurde und nach 44 Flugjahren 154,7 AE (etwa 21 ½ Stunden bei Lichtgeschwindigkeit) im Weltraum ist. Und 550AU repräsentiert nur dieMinimumBrennweite, bei der sich das Licht eines Ziels um die Sonnenoberfläche krümmt, anstatt in der Sonne selbst verloren zu gehen. Einige Ziele können von der Sonne sogar noch weiter in den Weltraum fokussiert werden. Mit unserer gegenwärtigen Technologie könnten wir ein Raumschiff so weit draußen parken, aber es würde lange dauern, bis es dort ankommt. Mit der Verbesserung unserer Antriebstechnologie wird eine solche Mission noch besser möglich.

Wie viel Signalverstärkung könnte die Gravitationslinse der Sonne erreichen?Viel. Schätzungen der Forschung zeigen, dass eine von der Sonne fokussierte eingehende Übertragung die Verstärkung um 120 dB (Dezibel) erhöhen könnte. Ein Bereich von zehn Dezibel bedeutet eine zehnfache Steigerung der Stärke… also 10Billionfache Erhöhung der Signalverstärkung – das Äquivalent zum Übergang von einem kaum hörbaren Flüstern zu einem Live-Rockkonzert. Die erhöhte Verstärkung bedeutet, dass keine superstarken Sender für Brute-Force-Nachrichten über die Leere oder ebenso hochempfindliche Empfänger eingesetzt werden müssen. Wir können die effizientere natürliche Signalverstärkung nutzen, die durch die Schwerkraft der Sonne erzeugt wird.

„Sterne funktionieren wie Linsen, was bedeutet, dass sie eine natürliche und leistungsstarke Möglichkeit bieten, Signale über interstellare Entfernungen hinweg zu verstärken. Eine Analogie könnten Hügelkuppen und Mobilfunkmasten sein: sicher dukönntenBauen Sie ein Mobilfunknetz auf, ohne Türme auf Hügelkuppen zu errichten, aber wenn die Hügel sowieso da sind, warum würden Sie sie dann nicht verwenden? Wenn es also ein „Galaktisches Internet“ gibt, wäre es überraschend, wenn es diese Objektive nicht nutzen würde.“
-Jason Wright

Triebwerke bei Station Keeping

Den Fokus zu behalten ist eine Herausforderung. Bei Verwendung von Triebwerken muss ein Raumfahrzeug, das Signale am idealen Brennpunkt sendet oder empfängt, die Position relativ zur Sonne auf 100 Meter genau halten. Denken Sie darüber nach – Positionsgenauigkeit unter einem Kilometer, währendMilliardenvon Kilometern entfernt. Eine genaue Ausrichtung erfordert eine automatische Anpassung durch das Raumfahrzeug gegen zwei Hauptursachen für eine Fehlausrichtung. Die erste ist die nach innen gerichtete Anziehungskraft der Sonne selbst. Bei der extremen Brennweite ist die Schwerkraft der Sonne relativ schwach im Vergleich zu der Umlaufbahn der Planeten unseres Sonnensystems. Ein Verlust des Schubs würde jedoch immer noch dazu führen, dass das Raumfahrzeug in einer exzentrischen „kometenartigen“ Umlaufbahn in das Sonnensystem fällt und schließlich in ein paar tausend Jahren in die Sonne selbst eintaucht.

Die zweite Hauptursache für die Fehlausrichtung ist die Wackelbewegung der Sonne. Die Umlaufbahn der Planeten eines Sterns, insbesondere massereicher Gasriesen wie Jupiter, lässt einen Stern wackeln, da seine Planeten eine Anziehungskraft ausüben. Das Wackeln unserer Sonne ist die größte Störung der Ausrichtung zwischen einem entfernten Zielstern, der Sonne, und einem Kommunikationsraumfahrzeug. Das Fahrzeug könnte mit einem optischen Zielfernrohr ausgestattet werden, das Positionsinformationen unter Verwendung der relativen Position anderer Sterne an den Leitcomputer des Fahrzeugs weiterleitet. Alternativ könnte das Teleskop in Richtung Sonne zeigen, um sicherzustellen, dass der Zielstern, von dem ein Signal empfangen wird, im Einsteinring der Sonne fixiert ist. So wie das obige Einstein-Ring-Bild von LRG 3-757 zeigt, wie eine weit entfernte Hintergrundgalaxie leuchtetum herumeine nähere Vordergrundgalaxie, ein entfernter Zielstern, von dem das Raumfahrzeug eine Übertragung empfängt, würde aus der Perspektive des Raumfahrzeugs als ein Lichtring erscheinen, der die Sonne umgibt.

Der Wackeleffekt eines Sterns aufgrund der Umlaufbahn eines Planeten im Sonnensystem des Sterns c.NASA

Welche Sterne wären ideale Knoten in einem hypothetischen Netzwerk? Die Autoren empfehlen, nach sphärischen Sternen zu suchen, die eine geringere Fokuseinstellung und damit einen geringeren Treibstoffverbrauch des Raumfahrzeugs erfordern. Weniger kugelförmige Sterne verzerren Signale. Selbst unsere Sonne ist nicht perfekt kugelförmig. Sterne mit schnelleren Rotationsraten wölben sich in Richtung ihres Äquators und sind weniger ideal. Massivere Sterne mit größerer Schwerkraft üben mehr Zug auf das Raumfahrzeug aus. Sterne mit mehr Planeten oder mit Gasriesen in engen Umlaufbahnen – heiße Jupiter – ein stärkeres Wackeln haben, das mehr Schub erfordert, um die Position zu halten. Sterne mit Begleitsternen, binären oder trinären Systemen, werden noch stärkere Wobbles aufweisen.

Was ist Gravitationslinse – Video von Fraser Cain von Universe Today

Ein Kommunikationsraumfahrzeug mit einem effizienteren Antriebssystem könnte Position und Fokus länger halten. Mit der Sonne als Beispiel für ein Sonnensystem könnte eine Raumsonde, die unseren chemischen Raketenantrieb nutzt, einige hundert Jahre lang im Fokus bleiben. Angesichts der Lichtlaufzeit zwischen Sternen innerhalb unserer Galaxie – Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Jahren – ist dies keine nennenswerte Zeit. Mit Ionentriebwerken, die auch von einigen unserer heutigen Satelliten und Sonden verwendet werden, könnten Sie fast ein Jahrtausend lang fokussiert bleiben. Aber was wäre, wenn Sie eine außerirdische Zivilisation mit fortschrittlicherer Antriebstechnologie wären?

Sind wir in der Schleife?

Wir experimentieren schon damit Fusionsbasierte Raketen das könnte ein Handwerk für Zehntausende von Jahren stabilisieren. Jenseits unserer aktuellen Technologie, aber hypothetisch möglich, ist ein Antimaterie-Antriebssystem, das ein Schiff stabilisieren könnte fürMillionenvon Jahren. Exotische Triebwerke wie Antimaterie können leichter erkennbar sein als andere Antriebsformen, was bedeutet, dass esistein Kommunikationshandwerkschonin unserem Sonnensystem, das von einer anderen Zivilisation dort platziert wurde, könnten wir es vielleicht sehen.

Was meine ich mit 'schon'? Die Autoren weisen darauf hin, dass es möglich ist, dass die Sonnegegenwärtigein Mitglied eines Kommunikationsnetzwerks – ein Knoten unter vielen, der ein außerirdisches Kommunikationsschiff beherbergt. Wie sollten wir uns dessen nicht schon bewusst sein? Nun, wenn ein außerirdisches Raumschiff die Gravitationslinse unserer Sonne verwendet, wird es schwierig sein, es zu erkennen, da es Hunderte von AE entfernt wäre – ein zukünftiges Interessengebiet für die Artefakt-SETI-Forschung (Suche nach extraterrestrischer Intelligenz, die nach außerirdischen Artefakten sucht). Ein exotisches Antriebssystem kann es verraten. Darüber hinaus werden die durch Gravitationslinsen fokussierten Signale zu einem schmalen Kegel geformt, durch den die Erde nicht kreisen kann. Wenn die Erde diesen Signalkegel nicht passiert, durchquert ein Netzwerk außerirdischer Kommunikationswolken unentdeckt unser Sonnensystem – eine Erklärung für die Stille der Galaxie, wenn es außerirdische Zivilisationen gibt, die Signale mit Gravitationslinsen verwenden.

„Wenn ein ETI die von uns untersuchten technischen Herausforderungen meistern kann, könnten sie Gravitationslinsen verwenden, um in einem riesigen Netzwerk von Kommunikationsknoten Übertragungen durch die Galaxie zu senden. Sie könnten die riesigen Weiten des Weltraums überwinden und zuverlässiger kommunizieren. Wir müssen zwar Beobachtungen durchführen, um zu sehen, ob die Sonne oder ein anderer Stern für diesen Zweck verwendet wird, aber es gibt auch eine Blaupause dafür, wie die Menschheit in ferner Zukunft in der Galaxie kommunizieren könnte.“
-Stephen Kerby, Hauptautor

Unter der Annahme, dass Gravitationslinsen für die interstellare Kommunikation verwendet werden und dass einige Sternensysteme möglicherweise bessere Empfangs-/Sendepunkte bieten als andere, könnten wir die SETI-Suche (Search for ETI using radio Transmissions) auf diese idealen Systeme eingrenzen. Eine vollständigere Untersuchung benachbarter Sternsysteme würde zeigen, ob sie bessere Netzwerkkandidaten sind – kugelförmige Sterne mit weniger Wobble. Wir könnten dann nach ausgehenden/eingehenden Signalen aus einer Region suchen, die ihrem Standort in unserem eigenen Sonnensystem gegenüberliegt, wo ihr Licht von unserer Sonne auf ein potenzielles Sende-/Empfangsfahrzeug fokussiert würde.

Die Autoren schlagen auch zwei weitere Alternativen zur Stationshaltung vor. Erstens könnten Sie ein Treibstoffdepot in der Nähe des idealen Fokuspunkts platzieren, den das Kommunikationsraumfahrzeug zum Auftanken verwendet. Zweitens könnte eine ganze Konstellation von Kommunikationsfahrzeugen in die Umlaufbahn der Sonne gebracht werden. Jeder hielt seine Position für eine kurze Zeit und ließ sich dann von seinem Platz fallen, um die Sonne umkreisen und dann zu seiner Position zurückkehren. Das Raumfahrzeug würde diese Umlaufbahn nacheinander mit anderen Sonden wiederholen, so dass jedes Raumschiff die erforderlichen Gesamttreibstoffkosten reduzierte, an Ort und Stelle blieb, während mindestens ein Raumfahrzeug immer im Fokus blieb. Wenn eine außerirdische Zivilisation mehrere Raumschiffe in einem System verwendet, besteht eine bessere Chance, ein einzelnes Raumschiff zu entdecken.

James Webb Weltraumteleskop 6,5 m Hauptspiegel. Im Gegensatz dazu ist der Spiegel des Hubble-Weltraumteleskops nur 2,4 m . groß
C. NASA/JPL

Super Scopes

Nach jahrelanger Verzögerung ist das mit Spannung erwartete James Webb Space Telescope bald starten (vorläufig 18. Dez.)^NSdieses Jahres). James Webb kürzlich fertiggestellt eine Seereise zum Startplatz in Französisch-Guayana. Dieses Zielfernrohr der nächsten Generation wird beispiellose Ansichten des Universums bieten.AberGenauso wie der Linseneffekt der Sonne die Signalverstärkung erhöht, würde der Effekt auch entfernte Sternensysteme und andere kosmische Objekte vergrößern, wodurch ein riesiges Superteleskop entsteht. Ein Gravitationsfernrohr wäre weitaus leistungsfähiger als alles, was wir bisher entwickelt haben expolanets ansehen mit einer ähnlichen Klarheit wie wir die Planeten in sehen unser eigenes Sonnensystem!

In der Zwischenzeit warten wir gespannt auf die ersten JWST-Bilder. Und wenn wir jemals ein Zielfernrohr/Sender mit Gravitationslinsen auf den Markt bringen, finden wir vielleicht bereits ein anderes von jemand anderem! Es ist unglaublich zu denken, dass vielleicht, VIELLEICHT, bereits eine Autobahn mit Kommunikationsverkehr durch unser System führt. Wer weiß, welche Gespräche wir verpassen – uralte planetare Vermessungen, neue fortschrittliche Technologien … interstellare Bestellungen zum Mitnehmen? Vielleicht finden wir es heraus!

„Die Suche nach außerirdischer Intelligenz ist so multidisziplinär, dass Wissenschaftler aus allen Bereichen einen Beitrag leisten können. Es ist eine Vision vielfältiger und aufgeschlossener Erforschung, die ein Ziel der wissenschaftlichen Gemeinschaft sein sollte, und es ist für mich sehr lohnend, von Astronomen mit unterschiedlichem akademischem und persönlichem Hintergrund zu lernen. SETI regt auch die Vorstellungskraft der Öffentlichkeit an und hilft allen, über den Platz der Menschheit im Kosmos nachzudenken.“
-Stephen Kerby, Hauptautor

Folge Matthew für weitere spacige Geschichten auf Instagram und Twitter

Feature-Bild:Abb.1 von Kerby und Wright 2021 „Ein Schema eines stellaren Relaisübertragungssystems auf der Achse, Öffnungswinkel, Abstände und Größen nicht maßstabsgetreu. Der anfängliche unfokussierte Sendestrahl kann sogar ein ringförmiges Muster aufweisen, um zu verhindern, dass der Fluss an die Sonnenscheibe verloren geht. Eine umgekehrte Anordnung kann verwendet werden, um Signale von einem entfernten Stern zu empfangen, indem Strahlen auf das Raumfahrzeug fokussiert werden.“ C. Kerby und Wright 2021