W 2004 roku napisałem ten tekst jako pracę zaliczeniową na jednym z przedmiotów podczas studiów na Politechnice Szczecińskiej. Był to naturalny wybór tematu, ponieważ interesowałem się projektami SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) i byłem uczestnikiem programu SETI@Home, który umożliwiał analizowanie danych z kosmosu dzięki przetwarzaniu rozproszonemu.
Tekst omawia podstawy naukowe projektów SETI, takie jak równanie Drake’a, oraz technologie wykorzystywane do poszukiwania sygnałów od cywilizacji pozaziemskich. Wspomina również o roli projektu SETI@Home, który angażował komputery użytkowników z całego świata do analizy danych z radioteleskopów.
Z perspektywy czasu widzę, że był to świetny sposób, by połączyć swoje zainteresowania z obowiązkami studenckimi. Udostępniam ten tekst jako ciekawostkę i przykład fascynacji nauką sprzed lat.
Zdjęcie radioteleskopu Arecibo: NAIC Arecibo Observatory NSF
Programy SETI podstawy naukowe i wykorzystywane środki techniczne
Podstawy projektów SETI
Nasze Słońce jest tylko jedną z ponad 200 miliardów gwiazd jakie tworzą galaktykę nazywaną przez nas Drogą Mleczną. Droga Mleczna z kolei jest tylko jedną z miliardów galaktyk we Wszechświecie. Wydaje się więc, że życie powinno istnieć w wielu miejscach poza Ziemią. Czy możemy oszacować w jak wielu? Pierwszym, który podjął taką próbę był astronom Frank Drake układając prostą zależność nazywaną dzisiaj równaniem Drake’a. W najprostszym ujęciu zależność ta określa nasze szanse kontaktu z cywilizacją pozaziemską. Zrozumienie tego równania nie wymaga zaawansowanej wiedzy matematycznej. Oto jego zapis:
N Liczba komunikujących się cywilizacji pozaziemskich w naszej Galaktyce. Wartość N zależy od wielu czynników wymienionych poniżej.
R Szybkość formowania się gwiazd z naszej Galaktyce.
f(p) Liczba gwiazd w naszej Galaktyce, które posiadają układy planetarne.
n(e) Liczba planet krążących w ekosferach istniejących układów planetarnych. „Ekosferą” jest zakres orbit w układach planetarnych słońca gdzie warunki umożliwiają powstanie i wykształcenie form życia. Życie nie może powstać na planetach krążących zbyt blisko swoich słońc (jest za gorąco) i zbyt daleko od nich (jest za zimno).
f(l) Liczba planet krążących w ekosferach, na których życie powstało i rozwija się.
f(i) Liczba planet, na których wykształciły się inteligentne formy życia.
f(c) Liczba planet, na których inteligentne formy życia rozwinęły się w cywilizację techniczną, zdolną do porozumiewania się w Kosmosie.
L Czas istnienia zdolnej do komunikacji cywilizacji pozaziemskiej.
Po upływie miliardów lat od uformowania się naszej Galaktyki wciąż powstają w niej gwiazdy. Mimo, że szybkość, z jaką zachodzi to zjawisko w skali Drogi Mlecznej, ciągle maleje nowe słońca wciąż się rodzą. Dowodem na to są piękne obrazy „gwiezdnego żłobka” uzyskane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a jakim jest Mgławica Orła w gwiazdozbiorze Oriona. Wielkie obłoki gazu zapadają się tam grawitacyjnie formując młode gwiazdy. Oceniając tempo tego procesu wydaje się, że dobrym przybliżeniem wartości R jest przyjęcie, że rocznie powstaje w naszej Galaktyce 20 nowych gwiazd.
Wiele z tych zapadających się obłoków gazu wiruje coraz szybciej pod wpływem wzrastających sił grawitacyjnych. Wirujące obłoki zapadającego się grawitacyjnie gazu międzygwiezdnego przybierają kształt płaskiego dysku z formującą się w jego centrum nową gwiazdą. Na całym obszarze dysku mniejsze skupienia materii mogą przejść identyczny proces i uformować planety. W ciągu ostatnich kilku lat kilkanaście zespołów ogłosiło jednak odkrycie planet okrążających pobliskie gwiazdy. Te odkrycia zwiększają prawdopodobieństwo występowania planet wokół gwiazd naszej Galaktyki. Jeśli przyjąć bardzo zachowawczo, że tylko połowa gwiazd Drogi Mlecznej ma układy planetarne to możemy określić z zadowalającą wiarygodnością wartość f(p) = 0,5
n(e) to współczynnik, którego wiarygodność trudno zweryfikować. W naszym systemie planetarnym, średniej wielkości żółtej gwiazdy, ekosfera mieści dwie (Ziemia i Mars) lub nawet trzy (łącznie z Wenus) planety. Można zatem zachowawczo przyjąć, że wiarygodna wartość n(e) = 1.
Kolejny współczynnik, f(l) aktualnie ma charakter czysto spekulatywny ponieważ aktualnie znamy tylko trzy planety dysponujące warunkami sprzyjającymi powstaniu i rozwojowi życia. Są nimi: Wenus, Ziemia i Mars. Wydaje się zatem, że wartość f(l) należy określić bardzo zachowawczo jako równą 0.2 (jedna na pięć planet dysponujących odpowiednimi warunkami).
Na ilu z tych planet rozwinie się inteligentne życie? To trudne pytanie, ale jeśli wierzyć dowodom potwierdzającym procesy naturalnej selekcji i najlepszego przystosowania, większość naukowców przyjmuje zachodzą one ze 100% sukcesem. Oznacza to, że inteligentne formy życia są naturalnym celem ewolucji. Trzeba jednak pamiętać, że jak dotychczas mamy na tylko jeden przykład – Ziemię. Mimo to f(i) = 1.
Jak wiele inteligentnych gatunków tworzy cywilizacje techniczne i używa technologii do komunikowania się? Na przykładzie Ziemi widać, że oprócz ludzi, takie potencjalne możliwości mają rownież delfiny i walenie. Technologię rozwinął jednak tylko człowiek. W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że f(c) = 0,5.
Ostatnią, najtrudniejszą do określenia wartością jest L czyli czas trwania cywilizacji technicznej zdolnej do komunikowania się. Nasza cywilizacja znajduje się w tym stadium dopiero od 50 lat. Czy zaawansowane cywilizacje giną samobójczo po wejściu w technologiczny etap swojego rozwoju? A może przezwyciężają swoje słabości i rozwiązują ich problemy przed samodestrukcją? Zanim spróbujemy określić wartość L wstawmy wszystkie określone dotąd wartości do równania Drake’a.
Mnożąc wszystkie określone wartości w równaniu Drake’a otrzymujemy N = L. Oznacza to, że liczba inteligentnych i zdolnych komunikowania się cywilizacji w Galaktyce jest równa długości okresu trwania tych cywilizacji! Okazuje się więc, że najmniej pewny współczynnik równania ogrywa znaczącą rolę w obliczeniach. Większość naukowców uważa, że jeśli tylko cywilizacja przezwycięży swoją początkową tendencję do samozniszczenia posiadaną przez siebie technologią, to przetrwa bardzo długi okres.
W takim przypadku jeśli cywilizacja potrafiąca komunikować się trwa miliony lat to liczba partnerów do komunikacji sięga milionów.
Na tych obliczeniach oparta jest cała idea SETI, czyli The Search for ExtraTerrestrial Intelligence.
Dlaczego nasłuch radiowy?
Po pierwsze inteligencja pozaziemska mogłaby odwiedzić Ziemię podróżując swoimi statkami kosmicznymi. Jednak żadne z dotychczasowych wydarzeń (Roswell, uprowadzenia przez kosmitów, obserwacje UFO) nie dostarczyły nawet marnych naukowych dowodów na kontakt. Ze względu na ogromną ilość energii i czasu potrzebnego do odbycia podróży międzygwiezdnych takie kontakty wymagają bardziej ekonomicznych metod. Dowodem na to jest prosta kalkulacja pokazująca, że jeśli nawet ktoś mógłby skonstruować statek z najefektywniejszym typem silnika, to dwudziestoletnia podróż w obie strony do najbliższej gwiazdy Alpha Centauri wymagałaby źródła energii o niewyobrażalnej mocy. Co więcej, w taką podróż mogłoby się udać co najwyżej kilku pasażerów. Z ekonomicznego punktu widzenia byłoby to przedsięwzięcie nadzwyczaj kosztowne, bo cena jego realizacji sięgnęłaby 30 kwadrylionów dolarów amerykańskich.
Alternatywnym, bardziej ekonomicznym sposobem poszukiwania kontaktu wydaje się być wysyłanie milionów małych sond kosmicznych, które mogłyby sygnalizować istnienie nadawcy i jednocześnie informować go o swoich odkryciach. Nadal jednak kosztuje to zbyt wiele. Nawet, jeżeli chcielibyśmy uwierzyć w istnienie napędu WARP, podróże międzywymiarowe i te wszystkie inne cuda fantastyki naukowej, pozostają one jedynie niczym więcej jak fikcją.
Najlepszym ze znanych nam sposobów komunikacji na duże odległości jest użycie fal radiowych. Przesyłanie informacji tym sposobem jest tanie, wykorzystuje urządzenia o prostej konstrukcji i zapewnia odpowiednią pojemność kanałów przesyłowych. Informacja podróżuje z największą możliwą prędkością we wszechświecie – z prędkością światła. Sposobów wykorzystania transmisji radiowych: radio i telewizja, telefony komórkowe, pagery, satelity komunikacyjne, nawigacja GPS, i wiele, wiele innych.
Problemem pozostaje jeszcze wybór odpowiedniej częstotliwości. Spektrum promieniowania elektromagnetycznego jest bardzo szerokie, ale ma kilka charakterystycznych właściwości, które mogą uprościć ten wybór. Wykorzystując je możemy wybrać rozsądnie małą część widma elektromagnetycznego dla naszych poszukiwań.
Obecnie programy SETI obejmują radioastronomiczne poszukiwania tzw. wąskopasmowych sygnałów radiowych mających charakteryzować aktywność cywilizacji pochodzenia pozaziemskiego. Podstawą poszukiwań są następujące założenia:
- fale radiowe są zdolne do pokonywania przestrzeni nawet jeśli na ich drodze znajdują się chmury materii,
- wąskopasmowe sygnały radiowe nie występują w naturze ponieważ naturalne źródła radiowe nie emitują sygnałów w pasmach węższych niż 300Hz,
- skupienie energii nadawanego sygnału w wąskim paśmie zapewnia bardzo dobre parametry emisji pod względem dystansu jaki może ona pokonać w przestrzeni kosmicznej,
- nadanie silnego sygnału wąskopasmowego jest w zasięgu możliwości technicznych i energetycznych cywilizacji o porównywalnym do naszego poziomie rozwoju.
W ramach inicjatywy SETI realizuje się kilka projektów poszukiwań sygnałów radiowych. Niektóre z tych projektów skupiają swoją uwagę na najbliższych nam gwiazdach, inne polegają na przeczesywaniu obszarów nieba charakteryzujących się dużą liczbą gwiazd. Najbardziej znanym z nich jest projekt Instytutu SETI pod nazwą Phoenix.
Wszystkie aktualnie prowadzone w ramach SETI programy poszukiwań wykorzystują specjalizowane układy przetwarzania sygnałów pozwalające na równoczesną rejestrację w czasie rzeczywistym milionów kanałów (częstotliwości) na wyjściu radioteleskopów. Tak ogromna liczba odbieranych równocześnie kanałów oddziałuje na wyobraźnię, ale jest tylko pobieżnym przyglądaniem się niewielkim fragmentom spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Ze względu na to, że prowadzenie poszukiwań w czasie rzeczywistym pozwala na sprawdzenie jedynie niewielkiej liczby kanałów (np. pod względem zmian częstości, fazy, amplitudy, okresowości impulsów energii, itp.) jedynym rozwiązaniem jest analiza zarejestrowanej emisji radiowej w trybie nierzeczywistym przy zastosowaniu koncepcji obliczeń rozproszonych np. komputerów pracujących w sieci Internet.
Radioastronomia
Po skierowaniu radioteleskopu w niebo odbieranych jest wiele różnych sygnałów. Niektóre pochodzą z Galaktyki, a inne z Ziemi. Jeśli wykonać diagram tego hałasu to widać, że Galaktykę słychać naprawdę głośno w rejonach niskich częstotliwości. Na wyższych częstotliwościach natomiast hałasuje Ziemia. Pomiędzy tymi dwoma głośnymi regionami znajduje się relatywnie cichy (od około 1 do około 10GHz) fragment spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Ta część spektrum znajduje się tuż ponad zakresem częstotliwości używanych przez pagery i wiele telefonów bezprzewodowych.
Najcichszym i najmniej zaśmieconym zakresem częstotliwości między 1 i 10GHz jest pasmo między częstotliwościami emisji radiowej: cząstek niezjonizowanego (neutralnego) wodoru międzygwiezdnego H (1,42GHz) i rodnika wodorotlenowego OH (1,64GHz). Ważne przy tym jest, że emisja radiowa w tym paśmie dociera do powierzchni Ziemi, co ma niebagatelne znaczenie w naszych poszukiwaniach. Emisja radiowa poza tym pasmem jest silnie tłumiona przez ziemską atmosferę. Zakres częstotliwości między 1,42 i 1,64GHz jest również często nazywany „dziurą wodną”.
Jeżeli analiza emisji radiowej ma na celu poszukiwanie sygnałów od cywilizacji pozaziemskich to niezwykle ważna dla tej procedury jest ścisła zależność między mocą emisji i szerokością pasma nadawania. Przy ustalonej mocy nadajnika im pasmo węższe, tym emisja jest efektywniejsza. Sygnał o dokładniej wybranej częstotliwości jest także łatwiejszy do odebrania powyżej poziomu tła.
Czego należy szukać w takim sygnale? Tak naprawdę istnieją dwie możliwości. Albo obca cywilizacja celowo wysyła sygnał, który ma zwrócić naszą uwagę. Albo też, podobnie jak Nam, zdarza Im się to robić podczas normalnej aktywności ich cywilizacji i część emisji radiowej po prostu „wycieka” w kosmos. Ziemia nadaje wiele takich sygnałów w sposób niezamierzony. Nasze przekaźniki radiowe i telewizyjne są bardzo silne, a radary wojskowe są jeszcze silniejsze. Nadajemy tak w Kosmos już od ponad 60 lat, co oznacza, że nasze sygnały pokonały odległość 60 lat świetlnych od Ziemi. Wydaje się, że powinniśmy spróbować szukać zarówno „wyciekających” jak i celowo nadawanych sygnałów i zakładać, że odbierzemy wszystko, co jest nadawane.
Radioteleskopy
Największym radioteleskopem na świecie wykorzystywanym w projektach SETI realizowanych przez Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley jest Arecibo, zlokalizowany w północno-zachodniej części wyspy Puerto Rico. Główna antena tego radioteleskopu ma średnicę 305m i została zbudowana w naturalnym zapadlisku dzikiego terenu krasowego. Powierzchnia anteny wynosi 73 008m2.
Antena odbija i skupia słabe sygnały z nieba na antenach odbiorczych zawieszonych na wysokości około 137m. Ze względu na to, że główna antena jest nieruchoma i nie może zmieniać położenia, anteny odbiorcze umieszczono na łukowatej prowadnicy, która pozwala na obserwowanie obiektów w obszarze 20 stopni kątowych od zenitu radioteleskopu. Prowadnica natomiast, została zainstalowana na obrotowej podstawie umożliwiającej śledzenie obserwowanych obiektów zgodnie z ich ruchem po sferze niebieskiej spowodowanym obrotem Ziemi wokół własnej osi. Dzięki takiej konstrukcji radioteleskop Arecibo umożliwia prowadzenie obserwacji znacznego obszaru nieba.
Częstotliwości wokół 1420MHz są szczególnie interesujące dla prowadzenia obserwacji ze względu na ich lokalizację w tzw. „Dziurze wodnej”. Istotne jest również to, że ten fragment spektrum został wyłączony z jakiejkolwiek aktywności ludzkiej na mocy porozumienia międzynarodowego. Innymi słowy, w zakresie częstotliwości od 1420 do 1427MHz nie wolno nic nadawać. Inaczej mówiąc Ziemia nie może zaśmiecać tych częstotliwości. Taki zakaz powoduje, że jest to szczególnie cichy i czysty przedział fal radiowych.
Schemat ideowy radioteleskopu
Najskuteczniejszym sposobem na przesłanie o sobie informacji w Kosmosie jest skupienie całej dostępnej energii nadajnika w bardzo wąskim paśmie transmisji. Jeśli zatem odbiornik jest mało precyzyjny i potrafi odbierać emisję radiową jedynie w szerokich pasmach częstotliwości, sygnał nadawany w wąskim paśmie utonie w morzu sygnałów odbieranych razem z nim nawet jeśli jest bardzo silny.
Przetwarzanie rozproszone w projekcie SETI@Home
Analiza danych zarejestrowanych przez radioteleskopy wymaga olbrzymich mocy obliczeniowych. Biorąc pod uwagę ilość danych, analiza prowadzona przez jeden superkomputer skonstruowany tylko do tego celu ciągnęłaby się latami.
W projekcie SETI@Home – jednym z najpopularniejszych projektów SETI, wykorzystano przetwarzanie rozproszone. Tak też sformułowany został cel programu SETI@home: wykorzystanie zwykłych domowych komputerów połączonych siecią Internet, dysponujących sumarycznie wręcz nieograniczoną mocą obliczeniową dla potrzeb analizy sygnałów.
Wszystkie zebrane dane (dziennie napływa 35GB), rejestrowane są na taśmach o bardzo dużej pojemności (DTL). Kasety przesyłane są pocztą kurierską do centrali w Berkeley gdzie pasmo nasłuchu (2,5MHz) dzielone jest na 256 węższych pasm o szerokości około 10 kHz (9766 kHz). Taką porcję danych nazwano w skrócie WU od ang. Work Units – próbka danych. Próbka taka zawiera sygnał o długości 100 s zarejestrowanej z szybkością 20 000 bit/s, co daje sumaryczną wielkość danych wynoszącą 2 000 000 bitów (ok. 250 kB). Do danych dołączane są również dodatkowe informacje potrzebne do późniejszej identyfikacji i sumaryczna wielkość próbki jaką pobieramy wynosi około 340 – 350 kB.
Program klienta instalowany jest jako wygaszacz ekranu i analizuje dane korzystając z niewykorzystywanych mocy obliczeniowych komputera. Dotychczas liczba uczestników projektu wynosi 4 756 891, natomiast łączna moc obliczeniowa komputerów 3,96e+21 FP/s
Działający klient SETI@Home
Komunikacja dwustronna
Ziemska cywilizacja nie tylko prowadzi nasłuch, ale także wysyła sygnały wywoławcze by potencjalnie nawiązać łączność z „Innymi”. Wysyłanie sygnałów jest o wiele trudniejsze niż ich odbieranie a to m.in. z racji nakładów energii, jakie potrzebne są do tego celu.
Pierwszy sygnał wysyłano w przestrzeń kosmiczną w grudniu 1974 roku, wykorzystano radioteleskop Arecibo, impulsowe sygnały wysyłane były przez 3 minuty, energia zużyta w tym celu była 25 razy większa niż moc wszystkich elektrowni na świecie. Miejscem docelowym dla sygnału jest gromada gwiazd w gwiazdozbiorze Herkulesa.
Wysłano w ten sposób 1679 impulsów, które zakodowane w systemie binarnym utworzyły obraz.
Zaledwie 1/4 KB wystarczyła aby podać:
- liczby od 1 do 10-u,
- liczby atomowe ważnych pierwiastków,
- liczbę ludzi na Ziemi,
przedstawić:
- budowę aminokwasów oraz spirali DNA,
- postać i rozmiar człowieka,
- wielkość i kolejność poszczególnych planet i z wyróżnieniem Ziemi
- oraz schemat anteny.
Sygnał dotrze do celu za 24 tys. lat, więc na potencjalną odpowiedź przyjdzie czekać ok. 48 tys lat. Cel nie został wybrany przypadkowo, gromada ta zawiera kilkadziesiąt tysięcy gwiazd. Powstaje jednak pytanie, czy za tyle tysięcy lat cywilizacja ziemska będzie jeszcze istnieć, człowiek nie posiada bowiem tylko zdolności tworzenia ale także destrukcji własnego ekosystemu a nawet jeśli odbierzemy sygnał i wyślemy następny to z drugiej strony także mija 48 tys. lat.
Flaga ziemi przygotowana na potrzeby programu SETI@Home
Co stanie się jeżeli zostanie odebrany sygnał od cywilizacji pozaziemskiej?
Wszystkie informacje o odkryciu zostaną udostępnione publicznie, najprawdopodobniej na stronach WWW. Żadnemu krajowi lub osobie nie będzie wolno zakłócać częstotliwości odbieranego sygnału. Ze względu na to, że obserwowane źródło emisji będzie wschodzić i zachodzić w każdej lokalizacji, konieczne będzie prowadzenie obserwacji na całej Ziemi. Z konieczności będzie to zatem wysiłek podejmowany przez wiele narodów. Informacje o przebiegu tych obserwacji zostaną udostępnione publicznie.
Szczegóły całej procedury precyzuje oficjalny dokument: Deklaracja Zasad Postępowania po Wykryciu Cywilizacji Pozaziemskiej (ang. Declaration of Principles Concerning Activities Following the Detection of Extraterrestrial Intelligence).
W szczególności jest to:
- Potwierdzenie pochodzenia sygnału
- Poinformowanie autorytetów własnego kraju
- Poinformowanie Sekretarza Generalnego ONZ
- Poinformowanie następujących instytucji:
Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna
Międzynarodowa Federacja Astronautyki
Międzynarodowa Akademia Astronautyki
Międzynarodowy Instytut Prawa Kosmicznego
Komisja 51 Międzynarodowej Unii Astronomicznej
Komisja J Międzynarodowej Unii Radiowej
Porównanie projektów radiowych SETI
| Nazwa projektu | Czułość (Wat/m2) | Pokrycie nieba (%) | Częstotliwość pokrycia (MHz) | Maksymalna szybkość znoszenia sygnału (drift rate) (Hz/sec) | Rozdzielczość częstotliwości (Hz) | Moc obliczeniowa (GFLOPS) |
| Phoenix | 1E-26 | 0.005 (1000 najbliższych gwiazd) | 2000 | 1 | 1 | 200 |
| SETI@home | 3E-25 | 33 | 2.5 | 50 | 0.07 do 1200 | 27,000 |
| SERENDIP | 1E-24 | 33 | 100 | 0.4 | 0.6 | 150 |
| Beta | 2E-23 | 70 | 320 | 0.25 | 0.5 | 25 |
Bibliografia
Strona internetowa projektu SETI@Home – http://setiathome.ssl.berkeley.edu/
Polska Strona SETI@Home – http://www.setiathome.pl
Projekt SETI@Home – Cywilizacje pozaziemske w Internecie
Radio Merkury Poznań, audycja z dnia 15.12.1998 autorstwa J. Paluszkiewicza, G. Adamskiego
Projekt SETI@Home – Szukamy cywilizacji pozaziemskich
Polskie Radio Bis, Klub Multimedialny z dnia 29.04.2000, autor – D. Truszczak
MdM – Poszukiwacze cywilizacji pozaziemskich
Program K. Materna i W. Mann z dnia z 14.10.2000 roku, w którym gościli Marek Czerwonka i Tomasz Kokowski