Холодные вычисления могут оставить в космосе необычный след: предложен новый способ поиска внеземных цивилизаций

Поиск внеземных цивилизаций обычно связан с попытками обнаружить искусственные радиосигналы, необычные оптические импульсы или масштабные сооружения, изменяющие излучение звезды. Но технологическая цивилизация может выдавать себя совсем другим способом — собственным отходящим теплом.

Новая теоретическая работа предлагает искать не просто избыток инфракрасного излучения, а гораздо более холодный технологический след. Речь идёт о гипотетической системе, в которой большая часть вычислений выполняется при очень низких температурах. Такое решение с точки зрения фундаментальной физики может повысить энергетическую эффективность вычислений, а выделяемое тепло будет уходить преимущественно в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах.

Для такого предполагаемого объекта введён термин «ореол Слыш» — Slysh halo. Это не обнаруженная структура и не свидетельство существования внеземной цивилизации, а предложенный класс техносигнатуры, который можно искать в уже существующих астрономических данных.

Идея интересна тем, что традиционные поиски техносигнатур в основном ориентированы на относительно тёплые искусственные конструкции. Гипотетические холодные вычислительные системы должны выглядеть иначе и потому могут оставаться незамеченными в обычных поисках.

Почему высокоэффективные вычисления могут быть холодными

Любая реальная вычислительная система сталкивается не только с ограничениями электроники, но и с фундаментальными законами термодинамики. Часть операций сопровождается неизбежным рассеянием энергии в форме тепла. Поэтому вычислительная система, выполняющая огромное количество операций, должна каким-то образом избавляться от этого тепла.

Для современной техники проблема решается прежде всего охлаждением. Чем больше вычислительная нагрузка, тем больше энергии может приходиться не непосредственно на вычисления, а на поддержание допустимой температуры оборудования.

Однако существует фундаментальная причина, по которой снижение температуры самого вычислительного устройства может быть выгодным.

Принцип Ландауэра и стоимость вычислений

Принцип Ландауэра устанавливает минимальную энергетическую цену необратимых вычислительных операций. Эта величина непосредственно зависит от температуры вычислительной системы: при снижении температуры минимальные энергетические затраты на такую операцию также уменьшаются.

В предельном случае идеальная вычислительная система, работающая при 10 К, могла бы выполнять примерно в 30 раз больше необратимых операций на ту же затраченную энергию, чем аналогичная система при температуре около 300 К.

Это не означает, что достаточно просто охладить существующий компьютер до 10 К и получить тридцатикратное увеличение производительности. Реальные компьютеры имеют множество других ограничений, а глубокое охлаждение само по себе требует энергии и сложной инфраструктуры.

Однако для цивилизации, располагающей огромными энергетическими ресурсами и способной размещать вычислительную инфраструктуру непосредственно в космосе, ситуация принципиально меняется.

Вдали от звезды окружающая среда становится значительно холоднее. Если вычислительное оборудование разместить на подходящем расстоянии от звезды, его можно охлаждать излучением в космическое пространство, не расходуя огромные объёмы энергии на активные холодильные системы.

Почему космос подходит для холодных вычислений

Около планеты или внутри атмосферы окружающая среда ограничивает температуру, до которой можно пассивно охладить оборудование. В межпланетном пространстве такой проблемы практически нет: достаточно далеко от звезды температура равновесия становится очень низкой.

В модели рассматривается диапазон примерно от 28 до 5 К. Это соответствует температурам значительно ниже температуры, при которой работает обычная земная электроника.

Для звезды солнечной светимости область с такими температурами располагается на расстояниях примерно от сотен до нескольких тысяч астрономических единиц. Для гораздо более тусклых красных карликов та же температурная область находится значительно ближе к звезде — на расстояниях от нескольких до примерно сотни астрономических единиц.

Таким образом, гипотетическая цивилизация могла бы перемещать часть вычислительной инфраструктуры наружу по мере того, как ей становится важнее энергетическая эффективность.

При этом речь не обязательно идёт о едином гигантском сооружении. Напротив, предполагаемая система состоит из большого количества отдельных элементов, распределённых по внешней части планетной системы.

Что такое ореол Слыш

Ореол Слыш представляет собой гипотетическую популяцию искусственных конструкций, распределённых вокруг звезды в области, где достаточно холодно для высокоэффективных вычислений, но звёздного излучения всё ещё достаточно для получения энергии.

Важная особенность концепции заключается в том, что это не классическая сфера Дайсона, полностью окружающая звезду.

Это не сплошная оболочка вокруг звезды

Классическая сфера Дайсона представляет собой предельный вариант мегаструктуры, при котором значительная часть энергии звезды перехватывается искусственными конструкциями. Но для ореола Слыш такая конфигурация не требуется.

Предполагается скорее разреженный рой отдельных элементов. Они могут быть распределены в широком диапазоне расстояний и иметь различную геометрию.

Это принципиально важно для наблюдений. Звезда при этом может оставаться практически нормальной в видимом диапазоне. Искусственные конструкции находятся далеко от неё и не обязаны закрывать заметную часть её диска для внешнего наблюдателя.

Основной след возникает не из-за исчезновения звёздного света, а из-за добавления слабого теплового излучения в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах.

Почему такой объект называют «ореолом»

Термин связан с внешним видом предполагаемой структуры. Речь идёт об обширной области вокруг звезды, в которой распределены отдельные элементы вычислительной инфраструктуры.

При этом ореол не обязан иметь форму идеальной сферы. В зависимости от распределения сооружений он может напоминать диск, тор, разреженное облако или более сложную структуру.

Поэтому само слово «ореол» описывает скорее распределённую внешнюю оболочку системы, чем конкретную геометрическую форму.

Фактический вид такого объекта зависел бы от того, где именно цивилизация разместила свои вычислительные системы и насколько равномерно они распределены.

Как такой объект будет излучать тепло

Даже чрезвычайно эффективный компьютер не может полностью избавиться от выделения тепла. Если система получает энергию от звезды и использует её для вычислений, в конечном счёте значительная часть этой энергии должна покинуть систему в виде теплового излучения.

Это следствие второго начала термодинамики. Энергию можно временно запасать или преобразовывать, но постоянно накапливать её безгранично невозможно.

Поэтому высокоразвитая вычислительная инфраструктура должна иметь радиаторы.

Чем холоднее радиатор, тем больше он должен быть

Здесь возникает важный физический компромисс.

Холодный объект излучает меньше энергии с каждого квадратного метра поверхности. Поэтому для отвода одинаковой мощности при более низкой температуре требуется значительно большая площадь радиатора.

При температуре около 300 К для отвода определённой мощности требуется сравнительно небольшая площадь. При переходе к десяткам градусов выше абсолютного нуля необходимая площадь резко возрастает.

В результате холодная вычислительная инфраструктура не должна быть маленькой и компактной. Напротив, она может занимать огромную область пространства.

Это одновременно является её недостатком и наблюдательным преимуществом. Чем ниже температура, тем больше площадь, с которой система должна излучать накопленную энергию.

Поэтому снижение температуры не делает техносигнатуру автоматически слабее. Оно переносит её в другую часть спектра и увеличивает пространственный масштаб излучающей структуры.

Где окажется максимум излучения

При температурах примерно 5–30 К основная часть теплового излучения приходится уже не на обычный инфракрасный диапазон, в котором традиционно ищут многие техносигнатуры, а на дальний инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны.

Именно это является ключевой особенностью предложенного метода поиска.

Обычная горячая звезда очень ярка в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне. Холодный искусственный ореол, напротив, практически не должен быть заметен в оптической части спектра, но может давать дополнительное излучение на длинах волн порядка сотен микрометров и более.

В результате астрономам предлагается искать необычный холодный компонент вокруг близлежащих звёзд.

Почему холодный технологический след трудно отличить от природного

Само по себе обнаружение холодного излучения ещё ничего не доказывает.

Во Вселенной существует множество естественных объектов, температура которых находится в том же диапазоне. Холодная пыль, обломочные диски, молекулярные облака, плотные области звездообразования и далёкие галактики могут создавать похожий сигнал.

Поэтому основная проблема заключается не столько в том, чтобы обнаружить холодный источник, сколько в том, чтобы определить его природу.

Холодная пыль имеет другой спектр

Одним из предлагаемых критериев является форма спектра.

В модели ореол Слыш рассматривается как оптически толстый «серый» излучатель. Это означает, что его спектральные свойства должны отличаться от свойств обычной разреженной холодной пыли.

Межзвёздная и околозвёздная пыль обычно имеет характерный спектральный наклон, зависящий от свойств пылевых частиц. Для искусственного радиатора в рассматриваемой модели такой зависимости ожидается гораздо меньше.

Поэтому наблюдения на нескольких длинах волн позволяют проверить, соответствует ли источник модели холодного искусственного излучателя или лучше объясняется обычной пылью.

Одного измерения недостаточно. Необходимо получить спектральную информацию в нескольких диапазонах и одновременно определить температуру предполагаемого источника.

Пространственная структура также имеет значение

Естественный обломочный диск обычно сосредоточен в определённой области вокруг звезды. Его излучение связано с распределением пыли и поэтому может формировать кольца, разрывы, асимметрии и другие характерные структуры.

Ореол Слыш в предлагаемой модели должен иметь другое распределение температуры.

Чем дальше от звезды находится элемент инфраструктуры, тем холоднее он становится. Поэтому при наличии достаточно подробных наблюдений можно было бы проверить, меняется ли температура излучения с расстоянием от звезды так, как ожидается для объектов, нагреваемых её светом.

Для разрешённого объекта это стало бы дополнительным способом отделить гипотетическую техносигнатуру от естественного источника.

Линии в спектре могут выдать природный источник

Холодные естественные облака содержат молекулы и атомы, способные создавать спектральные линии.

Например, молекулярные облака часто хорошо видны по линиям молекул, в том числе угарного газа. Если холодный источник сопровождается богатым набором молекулярных линий и находится внутри известной структуры межзвёздного газа, естественное объяснение становится значительно более вероятным.

Для гипотетического искусственного радиатора ожидается преимущественно непрерывное тепловое излучение без такого набора молекулярных линий.

Это ещё один критерий, который можно использовать вместе со спектром, температурой и пространственной структурой.

Почему красные карлики особенно интересны для поиска

Одним из наиболее интересных выводов работы стало то, что небольшие и относительно холодные звёзды могут оказаться удобными целями для поиска подобных объектов.

Причина связана не с тем, что они обязательно должны иметь развитые цивилизации, а с геометрией предполагаемого ореола.

Ореол вокруг тусклой звезды расположен ближе

Чем меньше светимость звезды, тем меньше расстояние, на котором её излучение нагревает окружающие тела до заданной температуры.

Для красного карлика область с температурой около 12 К может располагаться всего в нескольких десятках астрономических единиц от звезды. Для звезды, похожей на Солнце, соответствующее расстояние составляет сотни астрономических единиц.

Это означает, что холодный ореол вокруг красного карлика должен иметь гораздо меньший физический размер.

Для наблюдений это может быть преимуществом. Большая структура размазывается по большому количеству пикселей или лучей телескопа и становится сложнее для обнаружения. Более компактный источник может давать более высокую наблюдаемую поверхностную яркость.

По расчётам работы, особенно интересными целями могут быть ближайшие красные карлики, включая Проксиму Центавра, звезду Барнарда и Вольфа 359.

Само по себе наличие этих звёзд в списке потенциальных целей не означает, что вокруг них существуют искусственные конструкции. Они интересны исключительно из-за сочетания близости, низкой светимости и удобного для наблюдений масштаба предполагаемого холодного ореола.

Долгоживущие красные карлики дают ещё одну возможность

У красных карликов есть и другое важное свойство: они способны существовать на главной последовательности значительно дольше звёзд, подобных Солнцу.

Если гипотетическая цивилизация ориентирована не на максимальную мощность в короткий период, а на максимальное количество вычислений за очень длительное время, долгоживущая звезда может представлять для неё интерес.

Это уже относится к эволюционным рассуждениям о предполагаемых цивилизациях и не является наблюдаемым фактом. Поэтому из них нельзя сделать вывод, что красные карлики действительно чаще имеют технологические цивилизации.

Но с точки зрения поиска техносигнатур они представляют удобную категорию целей сразу по нескольким физическим причинам.

Какие телескопы могут искать такие структуры

Интересная особенность предложенной идеи состоит в том, что для первого этапа поиска не обязательно строить совершенно новый телескоп.

Часть необходимых наблюдений уже существует в архивах.

Архивные данные дальнего инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов

За последние десятилетия проводились крупные обзоры ближайших звёзд в диапазонах, где может проявляться холодное околозвёздное излучение.

В частности, существуют архивы наблюдений программ DEBRIS, DUNES и SONS. Они создавались для исследования естественных пылевых и обломочных дисков, а не для поиска внеземных цивилизаций.

Тем не менее их чувствительности, по расчётам работы, достаточно для того, чтобы проверить значительную часть параметров, характерных для гипотетических холодных ореолов.

Это пока не означает, что такие данные уже исключили или обнаружили ореолы Слыш. Для этого требуется специальный повторный анализ, учитывающий температуру, геометрию, вклад звезды, фоновое излучение и другие источники загрязнения.

Авторы предлагают именно такой архивный поиск в качестве первого этапа.

Возможности ALMA и других субмиллиметровых инструментов

Для более подробного исследования особенно важны телескопы и интерферометры, работающие в субмиллиметровом диапазоне.

В числе потенциально полезных инструментов рассматриваются ALMA и NOEMA, а для некоторых близлежащих объектов — наземные субмиллиметровые телескопы.

Преимущество интерферометров заключается в высокой угловой разрешающей способности. Если вокруг близкой звезды действительно существует холодная распределённая структура, можно попытаться увидеть её пространственную протяжённость и проверить, совпадает ли она с положением самой звезды.

Это особенно важно для борьбы с ложными кандидатами.

Как отличить искусственный ореол от далёкой галактики

Одна из главных проблем поиска техносигнатур в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах заключается в том, что далёкие галактики тоже могут выглядеть как слабые холодные источники.

Галактики с активным звездообразованием содержат большое количество пыли. Она поглощает свет молодых звёзд и повторно излучает энергию в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах.

Поэтому случайная далёкая галактика может оказаться на том же участке неба, что и близкая звезда, создавая ложный избыток холодного излучения.

Для различения таких случаев предлагается использовать астрометрию.

Если излучение действительно связано с околозвёздным ореолом, оно должно демонстрировать то же собственное движение и параллакс, что и звезда-хозяин. Далёкая галактика таких движений относительно звезды не имеет.

Таким образом, измерение положения источника в течение длительного времени может стать одним из наиболее важных способов проверки кандидатов.

Что уже можно искать в существующих данных

Предлагаемая программа поиска разделена на несколько уровней.

Первый и самый доступный этап — повторная обработка уже существующих наблюдений. Исследователи предлагают изучить архивы обзоров ближайших звёзд и сопоставить найденные холодные источники с их расстояниями, светимостью и известным окружением.

Отдельно можно проверять каталоги холодных компактных источников, полученные в субмиллиметровых обзорах всего неба.

Второй этап предполагает целенаправленные наблюдения интересных кандидатов. Для них потребуется измерить спектр на нескольких длинах волн, определить температуру, проверить пространственную структуру и поискать естественные источники холодного излучения поблизости.

Третий этап — детальное исследование наиболее убедительных кандидатов с помощью интерферометров. Оно позволит проверить морфологию источника, его движение и распределение излучения на разных масштабах.

Такая последовательность важна потому, что обнаружение одного необычного пятна на субмиллиметровой карте ещё очень далеко от доказательства существования технологической цивилизации.

Насколько чувствительными могут быть такие поиски

Расчёты показывают, что существующие наблюдения потенциально способны исследовать холодные технологические структуры с мощностью рассеивания порядка 10²⁰ Вт вокруг ближайших звёзд.

Это намного меньше энергетического масштаба, который обычно рассматривался в классических поисках очень крупных техносигнатур.

Для сравнения, полная светимость Солнца составляет около 3,8 × 10²⁶ Вт. Поэтому речь идёт о небольшой доле энергии звезды, а не обязательно о конструкции, перехватывающей практически весь её свет.

Именно это делает концепцию отличной от поиска полностью замкнутых сфер Дайсона.

При этом цифры чувствительности следует воспринимать как расчётные ориентиры, а не как уже полученные экспериментальные ограничения. Архивные наблюдения создавались для других задач, поэтому на практике важны фон, обработка изображений, угловой размер источника, удаление вклада звезды и другие факторы.

Что означает отсутствие сигнала

Интересным результатом поиска может стать не только обнаружение кандидата, но и отсутствие таких объектов.

Если вокруг большого числа близлежащих звёзд не обнаружится холодного технологического излучения, это позволит установить ограничения на долю энергии, которую гипотетические цивилизации могли бы перерабатывать в холодных вычислительных системах.

Однако отрицательный результат не будет означать, что внеземных цивилизаций нет.

Цивилизация может не использовать масштабные вычислительные системы, не располагать их в холодной внешней части планетной системы, применять другой способ охлаждения или вообще иметь совершенно иной энергетический баланс.

Кроме того, сама концепция ореола Слыш основана на определённых предположениях о развитии технологической цивилизации. Неизвестно, будут ли эти предположения реализованы какой-либо реальной цивилизацией.

Поэтому отсутствие сигнала проверит конкретную гипотезу о возможном технологическом развитии, а не существование внеземной жизни вообще.

Чем новая идея отличается от обычного поиска сфер Дайсона

Классические поиски мегаструктур вокруг звёзд в основном ориентированы на избыток инфракрасного излучения. Если значительная часть энергии звезды перехватывается искусственными сооружениями, она должна в конечном счёте выйти наружу в виде тепла.

Но температура этого теплового излучения зависит от расположения и конструкции сооружений.

Большинство предыдущих поисков было наиболее чувствительно к относительно тёплым структурам, находящимся ближе к звезде. Предлагаемый подход рассматривает противоположный вариант: цивилизация переносит вычислительную инфраструктуру далеко от звезды и использует холодное космическое пространство как естественную систему охлаждения.

В этом случае основная техносигнатура перемещается в дальний инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны.

Получается своего рода расширение диапазона поиска: вместо предположения, что развитая цивилизация обязательно строит горячую и компактную энергетическую инфраструктуру, рассматривается вариант, при котором она постепенно переносит вычисления в холодные внешние области своей системы.

Что пока остаётся неизвестным

Главная неопределённость заключается в том, существует ли вообще такая форма технологической инфраструктуры.

Предложенная модель показывает, что холодные вычисления согласуются с известными физическими принципами и что их тепловой след в принципе может быть наблюдаемым. Но это не предсказывает, что какая-либо внеземная цивилизация действительно выберет именно такой путь развития.

Есть и инженерные проблемы. При снижении температуры необходимая площадь радиаторов быстро увеличивается. Для создания огромной инфраструктуры потребуется значительное количество материала, а строительство, управление и поддержание распределённого роя на больших расстояниях представляют отдельную задачу.

Кроме того, реальная вычислительная техника может иметь ограничения, которые не учитываются идеализированной термодинамической оценкой. Минимальная стоимость необратимых операций — фундаментальный предел, но реальные устройства могут находиться далеко от этого предела.

Поэтому холодные вычисления нельзя автоматически считать неизбежной конечной стадией развития технологий.

Новый вариант техносигнатуры, который можно проверить наблюдениями

Ореол Слыш представляет собой интересную попытку связать фундаментальную физику вычислений с практическим поиском внеземных технологий.

Основная идея достаточно проста: если развитая цивилизация делает ставку на огромное количество вычислений, энергетическая эффективность становится важной. Снижение температуры уменьшает фундаментальную энергетическую стоимость необратимых вычислительных операций. В космосе низкая температура доступна естественным образом, поэтому часть инфраструктуры теоретически можно вынести далеко от звезды.

При этом отработанная энергия всё равно должна покинуть систему. Она превратится в тепловое излучение, которое при низкой температуре будет сосредоточено преимущественно в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах.

Именно этот сигнал предлагается искать.

Наиболее интересным обстоятельством является то, что необходимые для такого поиска данные уже частично существуют. Архивы наблюдений ближайших звёзд позволяют начать проверку гипотезы без строительства новой обсерватории. Более чувствительные наблюдения с помощью современных субмиллиметровых инструментов смогут исследовать кандидатов подробнее.

Но обнаружение холодного источника само по себе не станет доказательством искусственного происхождения. Для убедительной техносигнатуры потребуется одновременно объяснить его температуру, спектр, пространственную структуру, отсутствие характерных признаков природной пыли и, что особенно важно, связь с конкретной звездой.

Таким образом, речь идёт не об обнаружении инопланетных компьютеров, а о новом проверяемом предсказании для поиска технологических цивилизаций. Если подобные структуры существуют, их след может находиться не там, где традиционно ищут признаки внеземной деятельности, а в холодном внешнем пространстве планетных систем — среди слабого излучения на границе дальнего инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов.

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com