Il segnale radio decade quando attraversa lo spazio intergalattico?

Quando si emette il segnale radio, questo inizia a muoversi alla velocità della luce. Il raggio radio si sta diffondendo ad ogni chilometro che il segnale ha percorso. Al ricevitore vicino il segnale è forte. Ma se il ricevitore è lontano, il segnale diventerà sempre più debole fino a diventare un rumore. Quindi la domanda è: lo stesso accade nello spazio profondo e quale segnale radio distanza (o qualsiasi frequenza delle onde elettromagnetiche) potrebbe percorrere fino a quando non diventa rumore?

La prima cosa da considerare è che l'area di un raggio si diffonderà, su lunghe distanze. La migliore situazione in cui possiamo sperare è un sistema limitato dalla diffrazione, in cui questa diffusione è minimizzata massimizzando così il nostro segnale ricevuto. Cioè, in teoria abbiamo un raggio di trasmissione perfettamente collimato che non si discosta né converge.

In pratica, siamo ancora limitati dalla diffrazione. Un sistema a diffrazione limitata è descritto dalla formula

che prescrive una risoluzione angolare $\theta$ in termini di lunghezza d'onda $\lambda$ e un'apertura circolare di diametro $D$. Questo si chiama criterio di Rayleigh . La definizione di risoluzione angolare, in questo caso, è quando due sorgenti puntiformi sono appena distinguibili l'una dall'altra in cui il massimo principale del modello di disco aerato di una sorgente coincide con il primo minimo di un'altra. È questa definizione che si traduce nella costante apparentemente arbitraria di$1.22$.

Di solito pensiamo che la diffrazione sia applicabile in termini di ricezione di un segnale - ad esempio, un telescopio spaziale avrà di solito un sistema ottico a diffrazione limitata. Tuttavia, le stesse leggi esatte sono vere se stiamo ricevendo o inviando un segnale. Il percorso ottico è lo stesso. Tutto è esattamente al contrario!

Nota a margine: se invece proiettassimo un'immagine nello spazio , per risolvere in modo accettabile l'immagine un ricevitore dovrebbe avere una risoluzione angolare uguale o maggiore di, rispetto alla proiezione. Ciò include un criterio di risoluzione spaziale oltre alle prestazioni segnale-rumore discusse di seguito.

Per fare un esempio di vita reale, consideriamo un segnale radio. Poiché un ricevitore distante riceverà un segnale modulato in frequenza non diversamente dalla radio FM, non ci occupiamo della risoluzione angolare. Non ci importa se "l'immagine" è sfocata, o anche se alcune aree del raggio originariamente trasmesso mancano del tutto al nostro ricevitore. Tutto ciò che ci interessa è la modulazione della frequenza nel tempo: è un segnale unidimensionale.

In questo caso, un ricevitore è un sistema a rumore limitato. Questo rapporto della NASA delinea alcune delle limitazioni che devono essere affrontate da una realizzazione realistica della comunicazione interstellare. Anche nel caso di un sistema di rumore quantico limitato, possiamo ancora sfruttare al meglio le limitazioni che ci vengono trattate.

Se il rapporto segnale-rumore supera una soglia accettabile, il segnale verrà ricevuto bene. Ci sono così tanti fattori da considerare che in realtà è possibile solo una stima dell'ordine di grandezza. Non ne so abbastanza per trovare una buona stima dei livelli di rumore di un determinato sistema.

Il Project Cyclops (1971) fu l'inchiesta iniziale sulla fattibilità di una ricerca di intelligenza extraterrestre. Ad esempio, a pagina 41, possiamo vedere che la temperatura minima del rumore di un ricevitore che riceve il messaggio Arecibo a 2,4 GHz è di circa 4K - il principale contributo al rumore qui è il CMB. Le frequenze di questo ordine di grandezza forniscono di solito le migliori prestazioni di rumore possibili - troppo elevati e il rumore quantico e gli effetti atmosferici diventano significativi. Troppo basso e il rumore galattico prende il sopravvento.

Questa temperatura del rumore fornisce un rumore di fondo per il segnale. Il ricevitore di solito introduce una significativa temperatura del rumore al grado di alcune decine o centinaia di Kelvin, quindi qualsiasi limitazione pratica sulla comunicazione interstellare tende a diventare una funzione delle nostre apparecchiature.

Sebbene il messaggio Arecibo sia stato trasmesso a una buona frequenza, per la modulazione dell'ampiezza della comunicazione a lunga distanza è superiore alla modulazione della frequenza in quanto è facile aumentare la durata e l'intervallo dell'impulso per compensare una potenza del segnale più debole.

Questa tabella da pagina 50 del rapporto Ciclope, che vale la pena leggere, mostra che un singolo $100~ \mathrm{m}$ combinazione trasmettitore / ricevitore, con una potenza di trasmissione di $10^5~\mathrm{W}$, potrebbe funzionare a una distanza di 500 anni luce.

Costruire trasmettitori e ricevitori più grandi aumenterà la distanza massima delle comunicazioni. Quindi aumenterà la potenza di trasmissione, la durata dell'impulso e l'intervallo dell'impulso. La tecnologia attuale potrebbe permetterci di comunicare per decine o centinaia di anni luce. Per comunicare ulteriormente, basta costruire qualcosa di più grande . Le leggi della fisica pongono alcuni limiti alla distanza che possiamo comunicare.

Tutta la radiazione elettromagnetica proveniente da una sorgente puntuale - che è un normale trasmettitore radio - si propaga secondo la legge del quadrato inverso, il che significa che l'intensità del segnale è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Questo accade sulla terra e nello spazio profondo allo stesso modo.

Quindi questo significherà che per ogni segnale ci sarà una distanza alla quale diventa indistinguibile dal rumore di fondo dell'universo. Tuttavia, tale distanza dipenderà dall'intensità iniziale del segnale.