Проект «Циклоп»: исследование поиска внеземного разума в NASA (1971)

Введение

Проект NASA SETI (1971)

Проект Cyclops — это проект NASA 1971 года, посвященный исследованию оптимальных методов проведения поисков внеземного разума (SETI). Как продукт NASA, отчет находится в общественном достоянии. Команда проекта разработала концепцию координации большого числа радиотелескопов для поиска радиосигналов, подобных земным, на расстоянии до 1000 световых лет с целью обнаружения разумной жизни. Предложенная конструкция, предусматривающая от 1000 до 2500 поворотных антенн диаметром 100 метров каждая, была отклонена из-за высокой стоимости. Тем не менее, отчет стал основой для значительной части последующих исследований в области SETI.

Первоначальные выводы

Основные выводы, взятые дословно из отчета. Курсив в оригинале, как и витиеватый язык (см., например, заключение 12):

1. Поиск и передача сигналов значительно дешевле, чем попытки установить контакт с помощью космических кораблей или зондов. Этот вывод основан не на текущем уровне наших технологических возможностей, а на наших современных знаниях физических законов. 2. Порядок величины неопределенности среднего расстояния между цивилизациями, способными к коммуникации, в галактике, убедительно свидетельствует в пользу расширяемой системы поиска. Поиск можно начать с минимальной системы, эффективной для ближайших звезд. Затем систему расширяют и поиск продолжают в более глубоком космосе, пока не будет достигнут успех или не будет инициирована новая стратегия поиска. 3. Из всех доступных нам средств связи микроволны – лучшие. Они также лучшие для других рас, и по тем же причинам. Энергия, необходимая на этих длинах волн, минимальна, а требуемая стабильность и площади приема в принципе легче реализовать и дешевле, чем на более коротких длинах волн. 4. Лучшая часть микроволнового диапазона – это низкочастотный конец «микроволнового окна», частоты от примерно 1 до 2 или 3 ГГц. Опять же, это связано с тем, что там возможна большая абсолютная стабильность частоты, доплеровский сдвиг меньше, ширина диаграммы направленности шире при заданной антенной усилении, а площадь приема дешевле, чем в верхней части окна. 5. Природа предоставила нам довольно узкую полосу низкого уровня шума в этой лучшей части спектра, которая, по-видимому, особенно подходит для межзвездного контакта. Она расположена между спектральными линиями водорода (1420 МГц) и гидроксильного радикала (1662 МГц). Подобно Ом и Ум по обе стороны от ворот, эти два излучения продуктов диссоциации воды призывают все формы жизни на водной основе искать себе подобных в древнем месте встречи всех видов: в «водной яме». 6. Сегодня технологически возможно построить фазированные антенные решетки, работающие в диапазоне от 1 до 3 ГГц, с общей площадью приема 100 и более квадратных километров. Система «Циклоп» не настолько велика, но мы не видим технологических ограничений, которые помешали бы ее расширению до такого размера. 7. С антенными решетками, эквивалентными одной антенне диаметром в несколько километров как на передающей, так и на принимающей стороне, микроволновая связь возможна на межгалактических расстояниях, а высокоскоростная связь – на больших межзвездных расстояниях. Таким образом, быстрая передача информации может произойти после подтверждения контакта между двумя цивилизациями. 8. На этапе поиска мы не можем рассчитывать на получение сигналов, направленных на нас с помощью директивных антенн. Однако мы также не можем игнорировать эту возможность. Сигналы могут излучаться на относительно низкой мощности коммуникативными расами до тысячи близлежащих вероятных звезд и в течение очень длительного времени. Маяки дальнего действия, предназначенные для обнаружения на любой из миллиона или около того вероятных звезд в пределах 1000 световых лет, вероятно, будут всенаправленными и очень мощными (Вт). 9. Маяки, скорее всего, будут циркулярно поляризованными и, безусловно, высоко монохроматичными. Вероятны спектральные ширины 1 Гц или меньше. Они будут передавать информацию медленно и таким образом, чтобы не ухудшать их обнаруживаемость. Информация о том, как лучше всего ответить, будет содержаться в этой информации. 10. Эффективное обнаружение маяков предполагает поиск в частотной области с очень высоким разрешением (1 Гц или менее). Одним из основных вкладов исследования «Циклоп» является метод обработки данных, который позволяет одновременно искать в полосе частот 100 МГц с разрешением 0,1 Гц. Система «Циклоп» обеспечивает приемник миллиардом одновременных выходов узкополосных каналов. Хотя полоса пропускания системы «Циклоп» составляет 100 МГц, нет серьезных технологических препятствий для ее расширения до 200 МГц. Это позволило бы одновременно просканировать всю «водную яму». Если наше заключение о целесообразности этой полосы верно, то проблема, связанная с частотным измерением поиска, может считаться решенной. 11. Стоимость системы, способной эффективно проводить поиск, используя рассмотренные нами методы, составляет от 6 до 10 миллиардов долларов, и эта сумма будет потрачена в течение 10–15 лет. Если контакт будет установлен в начале этого периода, мы можем либо прекратить расширение системы, либо получить стимул для установления дальнейших контактов. Основные затраты в конструкции «Циклопа» связаны с антенными конструкциями. Принятие верхнего предела частоты 3 ГГц вместо 10 ГГц может снизить стоимость антенн вдвое. 12. Поиск, почти наверняка, займет годы, возможно, десятилетия и, вероятно, столетия. Для реализации столь долгосрочной программы требуется не только высокая степень автоматизации поиска, но и долгосрочное финансирование. Это, в свою очередь, требует веры: веры в то, что поиск стоит усилий, веры в то, что человечество переживет и получит выгоду от успеха, и веры в то, что другие расы были и остаются столь же любопытными и полны решимости расширять свои горизонты. Мы, почти наверняка, не первый разумный вид, который приступил к поиску. Первые расы, которые это сделали, несомненно, после фазы прослушивания перешли к длительным эпохам передачи, и то же самое сделали и более поздние расы, вступившие в поиск. Их настойчивость станет нашим величайшим преимуществом на начальном этапе прослушивания. 13. Поиск внеземной разумной жизни – это законное научное предприятие, которое должно быть включено в состав всесторонней и сбалансированной космической программы. Мы считаем, что исследование Солнечной системы было и остается правильным первоначальным шагом в космической программе, но его не следует рассматривать как единственную конечную цель. Стремление к другой разумной жизни разжигает воображение людей и может получить поддержку от критиков, которые сейчас ставят под сомнение ценность посадок на «мертвые» планеты и луны. 14. Прежде чем принимать решение о финансировании программы поиска, необходимо провести гораздо более глубокое изучение проблемы и оптимального дизайна системы. Однако сейчас не слишком рано финансировать эти исследования. В результате таких исследований, несомненно, появится система с более высоким соотношением возможностей к стоимости, чем первоначальный предложенный нами проект «Циклоп». 15. Существование более одной системы, подобной «Циклопу», имеет большую ценность в обеспечении полного покрытия неба, непрерывного приема обнаруженных сигналов и проведения исследований с большой базой. Поэтому следует добиваться и поощрять международное сотрудничество путем полного распространения информации. Поиск должен, в конце концов, представлять собой усилие всего человечества, а не только одной страны.

1. It is vastly less expensive to look for and to send signals than to attempt contact by spaceship or by probes. This conclusion is based not on the present state of our technological prowess but on our present knowledge of physical law. 2. The order of magnitude uncertainty in the average distance between communicative civilizations in the galaxy strongly argues for an expandable search system. The search can be begun with the minimum system that would be effective for nearby stars. The system is then expanded and the search carried farther into space until success is achieved or a new search strategy is initiated. 3. Of all the communication means at our disposal, microwaves are the best. They are also the best for other races and for the same reasons. The energy required at these wavelengths is least and the necessary stabilities and collecting areas are fundamentally easier to realize and cheaper than at shorter wavelengths. 4. The best part of the microwave region is the low frequency end of the "microwave window" frequencies from about 1 to 2 or 3 GHz. Again, this is because greater absolute frequency stability is possible there, the Doppler rates are lower, beamwidths are broader for a given gain, and collecting area is cheaper than at the high end of the window. 5. Nature has provided us with a rather narrow quiet band in this best part of the spectrum that seems especially marked for interstellar contact. It lies between the spectral lines of hydrogen (1420 MHz) and the hydroxyl radical (1662 MHz). Standing like the Om and the Um on either side of a gate, these two emissions of the disassociation products of water beckon all water based life to search for its kind at the age old meeting place of all species: the water hole. 6. It is technologically feasible today to build phased antenna arrays operable in the 1 to 3 GHz region with total collecting areas of 100 or more square kilometers. The Cyclops system is not nearly this large, but we see no technological limits that would prevent its expansion to such a size. 7. With antenna arrays equivalent to a single antenna a few kilometers in diameter at both the transmitting and receiving end, microwave communication is possible over intergalactic distances, and high speed communication is possible over large interstellar distances. Thus rapid information transmission can occur once contact has been confirmed between two civilizations. 8. In the search phase we cannot count on receiving signals beamed at us by directive antennas. Neither can we afford to overlook this possibility. Beamed signals may be radiated at relatively low powers by communicative races to as many as a thousand nearby likely stars and for very long times. Long range beacons, intended to be detectable at any of the million or so likely stars within 1000 light years, will probably be omnidirectional and very high powered ( W). 9. Beacons will very likely be circularly polarized and will surely be highly monochromatic. Spectral widths of 1 Hz or less are probable. They will convey information at a slow rate and in a manner that does not seriously degrade their detectability. How best to respond will be contained in this information. 10. The efficient detection of beacons involves searching in the frequency domain with very high resolution (1 Hz or less). One of the major contributions of the Cyclops study is a data processing method that permits a 100 MHz frequency band to be searched simultaneously with a resolution of 0.1 Hz. The Cyclops system provides a receiver with a billion simultaneous narrow channel outputs. Although the Cyclops system bandwidth is 100 MHz, no very great technological barriers prevent widening it to 200 MHz. This would permit searching the entire "water hole" simultaneously. If our conclusion as to the appropriateness of this band is correct, the problem posed by the frequency dimension of the search can be considered solved. 11. The cost of a system capable of making an effective search, using the techniques we have considered, is on the order of 6 to 10 billion dollars, and this sum would be spent over a period of 10 to 15 years. If contact were achieved early in this period, we might either stop expanding the system or be encouraged to go on to make further contacts. The principal cost in the Cyclops design is in the antenna structures. Adopting an upper frequency limit of 3 GHz rather than 10 GHz could reduce the antenna cost by a factor of two. 12. The search will almost certainly take years, perhaps decades and possibly centuries. To undertake so enduring a program requires not only that the search be highly automated, it requires a long term funding commitment. This in turn requires faith. Faith that the quest is worth the effort, faith that man will survive to reap the benefits of success, and faith that other races are, and have been, equally curious and determined to expand their horizons. We are almost certainly not the first intelligent species to undertake the search. The first races to do so undoubtedly followed their listening phase with long transmission epochs, and so have later races to enter the search. Their perseverance will be our greatest asset in our beginning listening phase. 13. The search for extraterrestrial intelligent life is a legitimate scientific undertaking and should be included as part of a comprehensive and balanced space program. We believe that the exploration of the Solar System was and is a proper initial step in the space program but should not be considered its only ultimate goal. The quest for other intelligent life fires the popular imagination and might receive support from those critics who now question the value of landings on "dead" planets and moons. 14. A great deal more study of the problem and of the optimum system design should precede the commitment to fund the search program. However, it is not too early to fund these studies. Out of such studies would undoubtedly emerge a system with greater a capability to cost ratio than the first Cyclops design we have proposed. 15. The existence of more than one Cyclops like system has such great value in providing complete sky coverage, continuous reception of detected signals, and in long base line studies, that international cooperation should be solicited and encouraged by complete dissemination of information. The search should, after all, represent an effort of all mankind, not just of one country.

Более современная перспектива

Многие, но не все выводы выдержали испытание временем. В книге SETI 2020 есть глава, пересматривающая выводы отчета Cyclops. Основные различия заключаются в следующем:
Пункты 4 и 5: Cyclops отдавал предпочтение нижней части микроволнового диапазона. С развитием технологий недостатки более высоких частот стали менее значительными, и они обладают другими преимуществами. Диапазон от микроволнового до оптического выглядит примерно равноценным. Пункт 6: Максимальная частота такой установки может и должна быть значительно выше. Пункт 8: Маяки, вероятно, будут направленными, а не всенаправленными. Современная вычислительная мощность делает это возможным и обеспечивает гораздо большую энергоэффективность. Пункт 9: Хотя в SETI 2020 это прямо не указано, утверждение "Маяки, несомненно, будут высокомонохроматичными" подверглось существенной критике. Поскольку земные коммуникационные технологии переходят к сигналам с расширенным спектром, наблюдения SETI дополняются поиском сигналов с высокой полосой пропускания. Более того, сейчас существуют предложения по созданию маяков, которые почти так же легко обнаруживаются, как монохромные сигналы, но при этом могут нести информацию. Пункт 10: Оптическую обработку, предусмотренную в Cyclops, следует заменить цифровой обработкой сигналов.

Текущая доступность

В 1970-х годах НАСА распространило 10 000 экземпляров доклада "Циклоп". Вероятно, большинство ведущих специалистов современного сообщества SETI знакомы с этим документом. К 1990-м годам доклад "Циклоп" давно вышел из печати. В 1995 году Лига SETI сотрудничала с Институтом SETI для переиздания этого важного исторического документа. В настоящее время "Проект Циклоп, Второе издание" доступен через Лигу SETI. Продажи начались в июне 1996 года, в честь 25-летия первой встречи по проекту "Циклоп". Джон Биллингэм, сопредседатель команды "Циклоп", написал посвящение Бернарду М. Оливеру, которое включено в новое издание вместе с предисловием президента Лиги SETI Ричарда Фактора и исполнительного директора Х. Пола Шуча. В 2000-х годах НАСА оцифровало оригинальный доклад и сделало его доступным в сети Интернет бесплатно.