外星無線電訊號來自何方?

作者 : John Dunn,EDN專欄作者

「尋找外星智慧」(SETI)計劃致力於尋找來自其他星球的地球之外無線電訊號。但其接收器靈敏度是否足夠?足以在數百dB的星際路徑衰減下進行訊號偵測嗎?

試圖尋找來自「外星文明」(extraterrestrial civilizations;地外文明)的無線電訊號,目前仍存在著巨大的技術挑戰,其中之一就是在我們的星球與其他星球之間的路徑損耗。姑且不論塵霧之類的障礙物可能造成影響,光是基礎幾何學本身就存在著偵測問題。

在2021年2月出版的IEEE Spectrum中,Danny Price發表了「SETI探索百萬星體計劃」(SETI’s Million Star Search)一文,其中提到為了尋找外星無線電訊號所付出的技術努力。

另外,Joanna Thompson在2021年3月的《科學人》(Scientific American)期刊中發表「旅行的光子」(Traveling Photons),文中提到「從月球向地球發射的無線電波束通常會發散到佈滿整個大陸」,這段話也引起了一些迴響。

以北美洲大約3,000英哩寬為例,我們可以將本文假設的無線電波束發射範圍定義成半徑為1,500英哩的圓形,而距離月球本身大約240,000英哩。根據這些數字,想像它是一個從頂點到底面之間垂直距離為240,000英哩的圓錐體,該圓錐底面的半徑為1,500英哩。接著,我們可以進一步假定該圓錐體的底面能以某種功率密度接收無線電訊號,或許也能以瓦特/平方英哩為單位進行測量。

annotated diagram of a radio path cone from the Earth to the Moon

圖1:以圓錐體來表示從月球到地球的無線電路徑。

「尋找外星智慧」(search for extraterrestrial intelligence;SETI)計劃,正致力於尋找來自其他星球的地球之外無線電訊號。如果我們能從那些星系構造出相似的圓錐體,每個圓錐的尖端都落在所討論的星體上,而地球就位在該圓錐底面的中心,那麼就可以比較從遠處星球到地球的路徑衰減,以及從月球到地球的標準化路徑衰減。

Distance
Light Years
Distance
Miles
Radius
Miles
Illum. Area
Square Miles
Norm. Power
Atten. in dB
~1.29 light seconds 240000 1500 7.069E+06 0.00
1 5.879E+12 3.674E+10 4.241E+21 −147.78
4.3 2.52797E+13 1.580E+11 7.842E+22 −160.45
50 2.9395E+14 1.837E+12 1.060E+25 −181.76
1000 5.879E+15 3.674E+13 4.241E+27 −207.78
1.00E+06 5.879E+18 3.674E+16 4.24147E+33 −267.78
1.00E+09 5.879E+21 3.674E+19 4.24147E+39 −327.78
1.00E+10 5.879E+22 3.674E+20 4.24147E+41 −347.78

表1:額外的太陽無線電路徑

其中,最接近太陽的太陽系外行星——「毗鄰星」(Proxima Centauri),距離太陽的額外太陽路徑約為4.3光年。相較於從月球到地球的無線電波束路徑,從該行星傳播到地球的波束訊號衰減大約更多了160dB。

所謂的本星群(local star group)是由距離此約50光年以內的恆星所組成,其衰減情況較來自月球的波束路徑更多180dB。而在1000光年到100億光年的距離處,衰減的情況還會更嚴重。

如果有某一種外星文明像我們一樣使用無線電通訊,那麼該星體上的天線與我們所使用的天線並不至於特別不同,因為大家都一樣受到物理定律的限制。我很確定他們也會有相控陣列和拋物線反射鏡。

而該星體所可能進行的任何傳輸作業,也並不會特別針對我們。我們可能偶然搜尋到碰巧出現的無線電訊號,而且此類訊號將會經歷如1所推論的路徑衰減。

SETI計劃的接收器靈敏度是否足夠?足以在數百dB的星際路徑衰減下進行訊號偵測嗎?

老實說,我不知道,但這確實是一項艱鉅的任務!

(參考原文:The search for extraterrestrial radio signals,by John Dunn)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年7月號雜誌

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