Галактический интернет: как обеспечить мгновенную связь вкосмосе

Галактический интернет: как обеспечить мгновенную связь вкосмосе
    Клаудио Макконе Узнаваемый итальянский астролог, начальник направления космических научных изучений Интернациональной академии космонавтики (International Academy of Astronautics, IAA) и глава постоянного комитета IAA по SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence, поиску внеземного разума). Макконе продолжительное время проработал в компании Alenia Spazio, где учавствовал в разработке самых различных космических аппаратов, таких как научный спутник Quasat, экспериментальный «спутник на привязи» Tethered Satellite System (TSS) либо солнечный парус для полета к Марсу.
    Космический корабль миссии FOCAL По плану Клаудио Макконе, радиосигнал возможно фокусировать гравитационной линзой — любым массивным телом, к примеру звездой. Для этого передатчик необходимо находиться на «оси радиоканала» на расстоянии, превышающем минимальную расстояние фокусировки (это расстояние зависит от массы и радиуса звезды). Для отечественного Солнца оно образовывает 550 а. е. (в 13,75 раза превышает радиус орбиты Плутона).

    Большее расстояние предпочтительнее — наряду с этим радиосигнал огибает Солнце в зоне, где не сильный влияние радиопомех солнечной короны.

Представим себе далекое-далекое будущее. Первая земная межзвездная экспедиция прибывает в совокупность Альфа Центавра А. Суда ложатся на парковочную орбиту около найденной местной планеты, а начальник экспедиции празднично объявляет о достижении цели и поднимает бокал коллекционного шампанского урожая 2158 года.

Затем экипаж, вольный от вахты, расходится по каютам, добывает коммуникаторы, и начинается негласное соревнование — кто первым пройдёт регистрацию в совокупности Альфа Центавра А в популярной социальной сети Spacebook. И вот тут-то социально космонавтов и активных астронавтов будущего поджидает один неприятный сюрприз. Выясняется, что интернета в данной звездной совокупности нет!

И, как заявляет системный администратор экспедиции, не предвидится: «Передатчики, которыми оснащены суда, не хватает замечательны чтобы наладить постоянный канал с высокой пропускной свойством между Альфой и Солнцем Центавра А». Так что стремительного интернета, дескать, не ожидайте — максимум десятки килобит в секунду, как в каменном, другими словами, простите, в двадцатом веке.

Но тут слово берет один из инженеров-связистов, ветхий библиофил. Он приносит из собственной каюты драгоценный древний фолиант, написанный в начале XXI века, — «коммуникации и Полёты в глубоком космосе: применение Солнца в качестве гравитационной линзы» (Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens, 2009) — и говорит, что в данной книге имеется ответ появившейся неприятности.

Четыре года пути

Автора книги Клаудио Макконе интересует вопрос космических коммуникаций на громадных расстояниях. Вправду громадных, межзвездных, потому, что кроме того от ближайшей к Солнцу звездной совокупности — Альфы Центавра — свет идет до нас более четырех лет.

На таких расстояниях возможно применять разные методы коммуникаций. Скажем, отправить «письмо в бутылке», другими словами космический зонд с информацией. Возможность его прибытия к цели высока, и количество информации велик (фактически не ограничен), но вот лишь отправлять такие зонды весьма невыгодно как с экономической, так и с энергетической точки зрения, исходя из этого для постоянного канала связи он подходит не хорошо.

Второй метод — посредством в полной мере классических средств связи, применяющих электромагнитные волны. Главная неприятность таковой связи — расходимость: кроме того направленный пучок электромагнитных волн, будь то радио либо свет, неизбежно расходится за счет дифракции.

На стороне приемника улавливается только малая часть энергии сигнала, отправленного передатчиком в пространство. Бороться с этим возможно, увеличивая мощность сигнала, но данный путь невыгоден энергетически, да и увеличение чувствительности приемника (среди них и установкой громадных антенн) имеет собственную цену, тем более что с повышением расстояния между приёмником и передатчиком обстановка ухудшается.

Радио с помехами

В собственной статье 2011 года «Межзвездная связь, улучшенная применением Солнца в качестве гравитационной линзы» (Interstellar radio links enhanced by exploiting the Sun as a Gravitational Lens) в издании Acta Astronautica Клаудио Макконе приводит расчеты классического радиоканала между Альфой и Солнечной системой Центавра А.

Они неутешительны: при передаче сигнала мощностью 40 Вт с Почвы посредством огромной 70-метровой антенны совокупности NASA DSN (Deep Space Network), имеющей усиление 84 дБ (другими словами усиливающей мощность сигнала по большей части направлении более чем в 100 млн раз), на частоте 32 ГГц (Ка-диапазон, как раз таковой применяет зонд Cassini) и скорости передачи 32 кбит/с (такую имеет европейский космический зонд Rosetta) и приеме посредством 12-метровой антенны (с усилением 69 дБ, другими словами чуть меньше чем в 10 млн раз) космического зонда в совокупности Альфа Центавра А частота появления ошибочных битов (bit error rate) образовывает 0,49. Это указывает, что практически 50% пересылаемой информации теряется, что, с позиций Макконе, делает указанный коммуникационный канал фактически ненужным.

Но Макконе отыскал выход из этого тупика. Причем принципиально отличающийся от «игры мускулами». Ученый предлагает фокусировать отсылаемый к вторым звездам радиосигнал посредством Солнца.

Солнечная линза

То, что любое массивное тело в рамках неспециализированной теории относительности (ОТО) будет искривлять траекторию световых лучей, предположил еще Альберт Эйнштейн в 1915 году. Скоро данный эффект был обоснован экспериментально, а во второй половине 30-ых годов двадцатого века Эйнштейн разместил в издании Science расчеты, в соответствии с которым звезда может выступать в качестве гравитационной линзы, дающей кольцеобразное изображение.

Годом позднее американский астролог Фриц Цвикки заключил, что линзой возможно не только звезда, но и целая галактика. Данный вывод смогли подтвердить только во второй половине 70-ых годов двадцатого века, в то время, когда английские астрологи нашли объект, складывающийся из двух находящихся на угловом расстоянии 6 угловых секунд полностью аналогичных квазаров, и узнали, что это в действительности один квазар, «раздвоенный» посредством результата гравитационного линзирования далекой галактикой, находящейся между Землёй и квазаром.

Данный эффект гравитационного линзирования Клаудио Макконе и предлагает применять для фокусировки отправляемого к далеким звездам радиосигнала. Но, дабы применять Солнце в качестве фокусирующей линзы, необходимо разместить источник сигнала в одном из фокусов. Ближайший фокус Солнца расположен далеко за пределами Нашей системы, в 550 а.е. от звезды (1 а.е. — это радиус орбиты Почвы, 150 млн километров).

Отметим, что космический зонд Voyager-1, посланный в 1977-м, в текущем году подошел к границе Нашей системы и находится на расстоянии около 123,7 а.е. от звезды.

Миссия в фокус

По плану Макконе, зонд миссии FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), оснащенный метровой антенной 12-и радиопередатчиком, необходимо находиться на «оптической оси» линзы (прямой, соединяющей передатчик и приёмник) в любом месте дальше ближайшего фокуса — 550 а.е. от Солнца. Лучше дальше, потому, что в этом случае огибающий Солнце радиосигнал будет испытывать меньшее влияние помех от солнечной короны.

В канале передачи, что применяет расположенную в точке фокуса передающую антенну, добавляется еще один компонент — Солнце как гравитационная линза. Усиление данной линзы для того же Ka-диапазона образовывает 70 дБ (10 млн раз). Это может кардинально поменять обстановку, в особенности в случае если учесть, что гравитационной линзой есть не только Солнце, но и каждая вторая звезда, в частности Альфа Центавра А. Действительно, потому, что ее диаметр и масса отличаются от солнечных, ее ближайший фокус находится в 750 а.е. от звезды.

В соответствии с расчетам Макконе, применяя два космических аппарата FOCAL с 12-метровыми антеннами в соответствующих фокусах Альфы и Солнца Центавра А, возможно добиться совершенного успеха: за счет усиления двух звезд свести фактически к нулю частоту появления ошибочных битов при мощности 0,1 мВт (да-да, 0,1 милливатт!).

Широкая полоса

Приведенные выше эти верны для канала связи со скоростью 32 кбит/с, но таковой канал по современным меркам более чем скромен. Макконе не останавливается на этом и в собственной новой статье «Галактический интернет, вероятный благодаря гравитационному линзированию звезд» (Galactic Internet made possible by star gravitational lensing, Acta Astronautica, 2013) приводит расчеты вероятной скорости широкополосных каналов межзвездной связи.

Результаты впечатляют: скажем, при неограниченной полосе частот (и мощности менее 1 мВт) скорость передачи информации по радиомосту между Альфой и Солнцем Центавра А образовывает 210 Гбит/с, а между Сириусом и Солнцем А — 100 Гбит/с. Вероятна сообщение и на более далеких расстояниях: скажем, между Солнцем и солнцеподобной звездой в центре отечественной Галактики скорость передачи данных составит не смотря на то, что и маленькие, но приемлемые 5,4 кбит/с (действительно, при мощности в 1 кВт). Это, очевидно, теоретические эти, на практике будет не так радужно, но все равно это фактически достижимые размеры.

Чужая сеть

Но кое-какие ответственные подробности Макконе опускает. Мы не говорим о техвозможности миссий, аналогичных FOCAL, поскольку это дело далекого будущего. Но существуют и фундаментальные ограничения, основное из которых связано с конечностью скорости света.

Радиосигнал от Солнца до Альфы Центавра А идет 4,37 года, и про запаздывание с открытием страницы в браузере возможно кроме того и не сказать.

Более того, приёмник и передатчик вращаются по своим орбитам около звезд, каковые также движутся относительно друг друга, а на синхронизацию часов на таком расстоянии имеется ограничения в особой теории относительности. Исходя из этого сделать так, дабы приемник был в фокусе гравитационной линзы совершенно верно в заблаговременно малоизвестный момент прихода сигнала, не окажется.

Но, и это ограничение в полной мере возможно обойти. Достаточно выстроить около каждой звезды на расстоянии больше минимального гравитационного фокуса сферу Дайсона, начиненную разным коммуникационным приемопередающим оборудованием. Тогда для каждого межзвездного радиомоста в любую секунду времени на данной сфере в обязательном порядке найдется приемная либо передающая ячейка.

«И нельзя исключать, — рассуждает Макконе, — что какая-нибудь высокоразвитая цивилизация уже выстроила галактический интернет, применяющий подобные правила». И тогда земная космическая миссия, отправленная на расстояние 550 а.е и потом, в полной мере быть может, найдёт в том месте какой-нибудь межзвездный узел связи.

Статья «Галактический интернет» размещена в издании «Популярная механика» (№127, май 2013).

SEREBRO — In Space 🌏


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: