Wenn Sie das Funksignal aussenden, beginnt es sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Der Funkstrahl diffundiert mit jedem Kilometer, den das Signal zurückgelegt hat. Zum nahe gelegenen Empfänger ist das Signal stark. Wenn der Empfänger jedoch weit entfernt ist, wird das Signal immer schwächer, bis es zu einem Rauschen wird. Die Frage ist also, ob dasselbe im Weltraum passiert und welche Entfernung das Funksignal (oder eine elektromagnetische Wellenfrequenz) zurücklegen könnte, bis es zu Rauschen wird.
Zerfällt das Funksignal, wenn es sich durch den intergalaktischen Raum bewegt?
Antworten:
Das erste, was zu berücksichtigen ist, ist, dass die Fläche eines Strahls über große Entfernungen diffus wird. Die beste Situation, auf die wir hoffen können, ist ein beugungsbegrenztes System, bei dem diese Diffusion minimiert wird, wodurch unser empfangenes Signal maximiert wird. Das heißt, theoretisch haben wir einen perfekt kollimierten Transmissionsstrahl, der weder divergiert noch konvergiert.
In der Praxis sind wir immer noch durch Beugung begrenzt. Ein beugungsbegrenztes System wird durch die Formel beschrieben
welches eine Winkelauflösung in Bezug auf die Wellenlänge und eine kreisförmige Apertur mit dem Durchmesser vorschreibt . Dies wird als Rayleigh-Kriterium bezeichnet . Die Definition der Winkelauflösung ist in diesem Fall, wenn zwei Punktquellen gerade voneinander erkennbar sind, wobei das Hauptmaximum des Luftscheibenmusters einer Quelle mit dem ersten Minimum einer anderen übereinstimmt. Es ist diese Definition, die zu der scheinbar willkürlichen Konstante von .
Wir denken normalerweise, dass Beugung in Bezug auf den Empfang eines Signals anwendbar ist - zum Beispiel wird ein Weltraumteleskop normalerweise ein beugungsbegrenztes optisches System haben. Es gelten jedoch genau dieselben Gesetze, unabhängig davon, ob wir ein Signal empfangen oder senden. Der optische Pfad ist der gleiche. Alles ist genau umgekehrt!
Randnotiz: Wenn wir stattdessen ein Bild in den Raum projizieren würden, müsste ein Empfänger eine Winkelauflösung haben, die gleich oder größer als die Projektion ist, um das Bild akzeptabel aufzulösen. Dies beinhaltet ein räumliches Auflösungskriterium zusätzlich zu der unten diskutierten Signal-Rausch-Leistung.
Um ein reales Beispiel zu geben, betrachten wir ein Funksignal. Da ein entfernter Empfänger ähnlich wie FM-Radio ein frequenzmoduliertes Signal erhält, geht es uns nicht um die Winkelauflösung. Es ist uns egal, ob das "Bild" unscharf ist oder ob einige Bereiche des ursprünglich gesendeten Strahls unseren Empfänger vollständig verfehlen. Es geht uns nur um die Modulation der Frequenz über die Zeit - es ist ein eindimensionales Signal.
In diesem Fall ist ein Empfänger ein rauschbegrenztes System. Dieser NASA-Bericht beschreibt einige der Einschränkungen, mit denen sich eine realistische Implementierung der interstellaren Kommunikation befassen muss. Selbst im Fall eines quantenrauschbegrenzten Systems können wir die uns auferlegten Einschränkungen optimal nutzen .
Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis über einem akzeptablen Schwellenwert liegt, wird das Signal gut empfangen. Es sind so viele Faktoren zu berücksichtigen, dass tatsächlich nur eine Größenordnungsschätzung möglich ist. Ich weiß nicht genug darüber, um selbst eine gute Schätzung des Geräuschpegels eines bestimmten Systems zu erhalten.
Das Projekt Cyclops (1971) war die erste Untersuchung der Machbarkeit einer Suche nach außerirdischer Intelligenz. Auf Seite 41 sehen wir beispielsweise, dass die minimale Rauschtemperatur eines Empfängers, der die 2,4-GHz- Arecibo-Nachricht empfängt, etwa 4 KB beträgt - der Hauptverursacher des Rauschens ist hier der CMB. Frequenzen dieser Größenordnung bieten normalerweise die bestmögliche Rauschleistung - zu hoch und Quantenrauschen und atmosphärische Effekte werden signifikant. Zu niedrig und galaktisches Rauschen übernimmt.
Diese Rauschtemperatur liefert ein Grundrauschen für das Signal. Der Empfänger führt normalerweise eine signifikante Rauschtemperatur in Höhe von einigen zehn oder hundert Kelvin ein, sodass praktische Einschränkungen der interstellaren Kommunikation in der Regel von unseren Geräten abhängen.
Obwohl die Arecibo-Nachricht mit einer guten Frequenz gesendet wurde, ist die Amplitudenmodulation für die Kommunikation über große Entfernungen der Frequenzmodulation überlegen, da es einfach ist, die Impulsdauer und das Intervall zu erhöhen, um eine schwächere Signalstärke auszugleichen.
Diese Tabelle ab Seite 50 des lesenswerten Cyclops-Berichts zeigt, dass eine einzelne Sender / Empfänger-Kombination mit einer Sendeleistung von in einiger Entfernung funktionieren kann von 500 Lichtjahren.10 5 W.
Durch den Bau größerer Sender und Empfänger wird die maximale Kommunikationsentfernung erhöht. Dies erhöht auch die Sendeleistung, die Impulsdauer und das Impulsintervall. Aktuelle Technologie könnte es uns ermöglichen, über zehn oder Hunderte von Lichtjahren zu kommunizieren. Um weiter zu kommunizieren, bauen Sie einfach etwas Größeres . Die Gesetze der Physik begrenzen die Distanz, die wir kommunizieren können, nur wenig.
Alle elektromagnetische Strahlung von einer Punktquelle - die ein normaler Funksender ist - breitet sich nach dem Gesetz des umgekehrten Quadrats aus, was bedeutet, dass die Intensität des Signals umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist. Dies geschieht auf der Erde und im Weltraum gleichermaßen.
Dies bedeutet also, dass es für jedes Signal eine Entfernung gibt, in der es nicht mehr vom Hintergrundrauschen des Universums zu unterscheiden ist. Dieser Abstand hängt jedoch von der Anfangsstärke des Signals ab.