Comunicaciones galácticas

Con sus cientos de miles de millones de estrellas, la Vía Láctea podría albergar miles de civilizaciones desarrolladas. Anteriormente dudosa, esta idea se vio reforzada por el descubrimiento de muchos sistemas planetarios en la Vía Láctea.

Así que los astrónomos de hoy están muy interesados en los resultados de los estudios iniciados hace cuatro décadas: algunos equipos escanean el cielo con la esperanza de detectar señales de radio que una civilización avanzada habría enviado a la inmensidad de la galaxia. Esta búsqueda de inteligencia extraterrestre, el programa seti (en inglés, Búsqueda de inteligencia extraterrestre ), es una búsqueda pasiva de señales, basada en el uso de antenas parabólicas y receptores de radio sensibles. Sin embargo, si existen, estas señales probablemente estén muy debilitadas cuando nos llegan.

En los estudios implementados hasta ahora, nos contentamos con buscar señales que se habrían transmitido hace décadas o, más probablemente, cientos, incluso miles de años atrás. Paradójicamente, se ha preguntado poco cómo construiríamos un dispositivo de transmisión de radio cuyas emisiones podrían detectarse en decenas o cientos de años luz. Estudiar esta pregunta ayudaría a encontrar señales extraterrestres.

La pregunta no es un ejercicio inútil: para saber qué señales buscar, uno debe tener una idea de las instalaciones y las estrategias de transmisión que utilizarían nuestros corresponsales. Las dificultades de transmitir señales a distancias tan grandes son considerables: con las limitaciones estipuladas por la física actual, una civilización haría muy difícil conocer su presencia a otra civilización cuya posición ignoraría en la Galaxia.

Este análisis explicaría una de las paradojas de los programas de investigación de inteligencia extraterrestre: incluso si el Galaxy alberga a miles de civilizaciones avanzadas, tendríamos grandes dificultades para escucharlos.

Cómo superar el ruido?

Antes de diseñar un transmisor que envíe señales a la galaxia, uno debe elegir el rango de ondas electromagnéticas que llevarán las señales. Aquí solo examinaremos el caso de las ondas de radio: cruzan el espacio interestelar mucho mejor que otras radiaciones electromagnéticas, como la luz visible, que es difusa y absorbida por el polvo interestelar.

El rango de ondas de radio es amplio, pero los astrónomos piensan que la banda de frecuencia entre uno y tres gigahercios es la más adecuada para las comunicaciones interestelares: primero, Nuestras técnicas funcionan bien para esta parte del espectro ; segundo, las moléculas interestelares y las nubes de polvo apenas absorben estas ondas, excepto a frecuencias neutrales de emisión de hidrógeno, alrededor de 1,42 gigahercios. Finalmente, la radiación de fondo de la Vía Láctea no es demasiado fuerte en este rango.

La propagación de ondas de radio en el espacio corresponde a variaciones periódicas del campo eléctrico y magnético. Estas variaciones se extienden juntas a la velocidad de la luz, es decir, 300,000 kilómetros por segundo. La distancia máxima a la que se detecta una onda de radio depende de cinco factores principales: el entorno electromagnético del receptor, la sensibilidad del receptor, la potencia de la señal transmitida y el tamaño de las antenas de transmisión y recepción. Examinemos estos factores sucesivamente.

El ruido electromagnético es omnipresente en la galaxia. La radiación electromagnética puede ser consistente, es decir, estructurada regularmente, como señales de un transmisor de radio o inconsistente, como pulsos aleatorios de los cuales resulta el chisporroteo de un receptor de radio cuando está entre dos estaciones. Esta radiación inconsistente es ruido electromagnético.

Cualquier cuerpo cuya temperatura esté por encima del cero absoluto emite radiación (ruido) en todas las frecuencias. La frecuencia para la cual la intensidad de esta radiación es máxima depende de su temperatura absoluta. Por conveniencia, los físicos a veces caracterizan el ruido por la temperatura de un «cuerpo negro» ficticio que sería la fuente de ruido, por ejemplo en un sistema de comunicación.

Este ruido limita las capacidades de comunicación. Solo se recibe una señal si su potencia en la antena de recepción es al menos igual a la del ruido circundante: de manera similar, en una habitación ruidosa, dos personas se entienden solo si sus mensajes se distinguen del ruido ambiental .

En el amplificador de un receptor de radio, el ruido proviene de dos fuentes: un componente externo se debe a la antena y al entorno, y los circuitos de amplificación electrónica generan un componente interno. Hoy, sabemos cómo fabricar receptores cuyo ruido interno es del orden de solo unos pocos Kelvin. Por otro lado, el ruido del entorno externo generalmente no se controla. Por lo tanto, es él quien limita el rendimiento de un sistema de recepción de alta calidad, como los utilizados en astronomía.

El ruido externo proviene del suelo (para antenas construidas en un planeta), de la atmósfera planetaria, del fondo difuso galáctico, de fuentes astronómicas de emisión de radio dentro y fuera de la galaxia, y del fondo cósmico de microondas, que es Una reliquia del Big Bang. En la Tierra, para un receptor a la vanguardia de la técnica, protegido de la radiación del suelo por una pantalla, todas estas fuentes combinadas, incluido el ruido interno del receptor, generan un ruido de fondo de temperatura igual a aproximadamente 15 Kelvin.

Qué potencia debe emitirse para que una antena de recepción distante reciba una señal mayor que este ruido? Observemos primero que la potencia de ruido en el receptor depende del rango de frecuencia o ancho de banda del receptor: a medida que el ruido se distribuye en todo el espectro, cuanto más restringido es el ancho de banda del receptor, más energía del ruido recibido es bajo. Por lo tanto, para detectar una señal débil, el ancho de banda debe limitarse al valor más pequeño compatible con la señal esperada.

Por el contrario, cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor será la cantidad de datos que se pueden enviar. Por ejemplo, el habla humana requiere un ancho de banda de aproximadamente 2.5 kilohercios, y una señal de TV clásica ocupa un ancho de banda de 4.5 megahercios. Para nuestro estudio, establezcamos una tasa de información de cinco bits por segundo. Dependiendo de los valores relativos de la señal y el ruido, se requiere un ancho de banda de aproximadamente 2.5 hercios. Este ancho de banda le permite enviar el mensaje «hola» en siete segundos, suponiendo que se requieren cinco bits para codificar cada carácter.

Habiendo determinado un ancho de banda y una temperatura de ruido, abordemos la pregunta inicial: cuál debe ser la potencia de la señal, en la antena receptora, para que salga del ruido? La potencia acústica es el producto de la constante de Boltzmann (notada k , es igual a 1.38 × 10–23 julios por kelvin) por la temperatura de ruido absoluta (15 Kelvin) y por el ancho de banda del sistema de detección, es decir 2.5 hertzios. Por lo tanto, hay una potencia acústica de 5.2 × 10–22 vatios. El receptor debe recibir señales que tengan al menos esta potencia para detectarlos. Supongamos que la antena tiene una superficie de un metro, la potencia requerida sería de 5.2 × 10–22 vatios por metro cuadrado.

La potencia requerida para que el transmisor envíe dicha intensidad a la antena receptora depende de la distancia entre el transmisor y el receptor. También depende del modo de emisión de la señal: omnidireccional (o isotrópico) o en forma de haz contenido en un cono estrecho. Para la distancia, elijamos arbitrariamente 100 años luz o 9.46 × 1017 metros. En cuanto al modo de emisión, suponemos que es omnidireccional, porque una civilización que quiere comunicar su presencia no sabe dónde están sus posibles corresponsales.

A medida que disminuye la potencia, durante la propagación de las señales, como el inverso del cuadrado de la distancia, podemos calcular la potencia necesaria de un transmisor omnidireccional ubicado a la distancia fija: es (5, 2 × 10– 22) × 4π × (9.46 × 1017) 2, i.

Esta potencia es más de 7,000 veces mayor que la suministrada por todas las centrales eléctricas en Europa. Además, a escala Galaxy, 100 años luz son una pequeña distancia. Solo mil estrellas están a menos de 100 años luz de la Tierra, menos de una millonésima parte de las estrellas de la Galaxia. Para tener la posibilidad de caer en una civilización avanzada, sería necesario llegar a los planetas ubicados en un volumen de espacio mucho mayor.

Concentrado de poder?

En lugar de utilizar un sistema de emisión y recepción isotrópico, podrían concentrarse las emisiones? Considere el compromiso entre el tamaño de la antena receptora y la potencia de transmisión requerida. Una antena cuya superficie es grande en comparación con el cuadrado de la longitud de onda que recibe tiene una «horneada» de recepción estrecha. Cuando dicha antena apunta a un transmisor, la ganancia es alta. En otras palabras, la potencia requerida para llegar al receptor es menor. La desventaja de este método (el haz debe apuntar en una dirección dada) es notable, porque no se sabe dónde están los posibles corresponsales.

¿Cuál es la probabilidad de comunicación por este método?? Asumimos, en el ejemplo anterior, que la antena receptora tenía una superficie efectiva de solo un metro cuadrado. Si el dispositivo utilizado es una antena parabólica, su diámetro debe ser de aproximadamente 1,5 metros. Dicha antena, que funciona con ondas de 20 centímetros de longitud, tendría un cono receptor de aproximadamente 11 grados. Dentro de este cono, la señal es bien recibida, siempre que apunte al transmisor.

Al aumentar el tamaño de las antenas receptoras, se capturan emisiones menos potentes, pero disminuye el tamaño del cono receptor. Considere, por ejemplo, una red de antenas de un kilómetro de lado. Capturando radiación con una longitud de onda igual a 20 centímetros, esta red ganaría un millón de veces mayor que la de la antena en un metro cuadrado. Desafortunadamente, su ancho de haz solo sería once milésimas de grado: la potencia de emisión requerida sería un millón de veces menor, pero la estrechez del haz requeriría una precisión extrema de apuntar y monitorear.

Al usar también una antena de un kilómetro cuadrado para la emisión de la señal, mejoramos la ganancia del mismo orden de magnitud, pero con un estrechamiento del haz idéntico al de la recepción. Suponiendo que una red de antenas de un kilómetro cuadrado emite hacia una red similar, la potencia de transmisión se reduce a 5.700 vatios, pero es muy poco probable que los haces muy estrechos de estas antenas se alineen.

El dilema es clásico: con antenas pequeñas, La potencia del transmisor es considerable, y, con antenas gigantescas, Los requisitos de potencia son modestos, pero las vigas de emisión y recepción son tan finas que parece difícil que las vigas de los corresponsales crucen la extensión de la galaxia. Incluso si todas las soluciones intermedias son posibles, las distancias gigantes que separan las estrellas requieren medidas extremas.

¿Es inútil?? No, porque los parámetros que hemos considerado aquí, aunque plausibles, son arbitrarios. Si algún corresponsal usara dispositivos con una relación de señal de ruido más baja o un ancho de banda más estrecho, los requisitos de potencia se reducirían.

Además, se puede programar una antena de recepción muy grande, que consta de un conjunto de antenas y receptores individuales, para recibir simultáneamente haces de muchas direcciones diferentes, lo que facilitaría la búsqueda de transmisores desconocidos. El uso simultáneo de numerosos canales de recepción, multiplexación de frecuencia, ya implementados en programas seti actuales, mejora la eficiencia de la recepción. Sin embargo, las ventajas de esta multiplexación no se pueden aplicar a la emisión sin una pérdida de potencia de cada haz o cada canal de frecuencia, ya que la potencia total es fija.

Al otro lado del medio

Hasta ahora, hemos examinado el diseño de los dos extremos de la comunicación, el transmisor y el receptor. Sin embargo, entre los dos, la radiación difícilmente puede extenderse en la inmensidad interestelar. En el vacío, las ondas electromagnéticas se propagan en línea recta, a menos que encuentre un obstáculo material que las absorba, las refleje o las refracte. Sin embargo, el medio interestelar no está vacío: contiene gases, polvo y campos magnéticos que perturban la propagación de estas ondas. A lo largo de los inmensos caminos, estos elementos desvían las ondas de su camino en línea recta, cambian su polarización y hacen que la intensidad de la señal recibida fluctúe. Estos fenómenos argumentan en contra del uso de haces de emisión y recepción demasiado estrechos, y hacen que la necesidad de transmisores potentes sea aún más evidente.

Cuando las ondas pasan a través de una nube de gas, donde la velocidad de propagación es menor que la del vacío, las ondas se refractan. Esta refracción desvía las ondas y a veces superpone dos ondas que tienen la misma fuente. Cuando la onda ingresa a la nube, uno de sus componentes puede ser más lento que otro: aparece un cambio de fase entre los componentes de la onda. Dependiendo de la amplitud del cambio de fase y la diferencia de trayectoria entre los componentes de la onda, las porciones de eliminación pueden reforzarse, cancelarse mutuamente o dar todas las combinaciones intermedias.

Supongamos ahora que la lámina de gas que se dirige a la segunda ola está en movimiento en relación con la trayectoria de la onda, de modo que el cambio de fase varía con el tiempo (ver Figura 2) [ . En este caso, la onda que resulta de la superposición de los dos componentes variará con el tiempo, a veces cancelando, a veces reforzando. Los efectos del mismo tipo resultan de reflexiones, cambios Doppler, etc. Todas estas perturbaciones transforman una señal inicialmente regular en una señal altamente modulada a la llegada, en un receptor distante.

El uso de ondas de radio para contactos interestelares es desalentador. El tamaño gigantesco de la galaxia impone sistemas inaceptables: poderes de emisión considerables o antenas inmensas, con vigas tan delgadas que pueden ser inútiles. El sistema requerido para enviar una señal a una gran muestra de estrellas ciertamente está fuera del alcance de nuestra técnica. Además, incluso si logramos establecer contacto, podrían pasar varios siglos antes de recibir una respuesta a nuestro mensaje. Incluso si logramos superar las formidables limitaciones físicas, el proyecto de comunicación con civilizaciones extraterrestres requeriría una tenacidad que la humanidad aún no ha demostrado.

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