"Космос великий. Він просто величезний. Ви навіть не повірите, наскільки він запаморочливо величезний. Вам може здаватися, що від вашого будинку до аптеки далеко, але це просто дурниця в порівнянні з космосом ". Путівник Галактикою для подорожуючих автостопом.
Уявімо собі далеке-далеке майбутнє. Перша земна міжзоряна експедиція прибуває в систему Альфа Центавра А. Кораблі лягають на паркувальну орбіту навколо виявленої місцевої планети, а командир експедиції урочисто оголошує про досягнення мети і піднімає келих колекційного шампанського врожаю 2158 року. Після цього екіпаж, вільний від вахти, розходиться по каютах, дістає комунікатори, і починається негласне змагання - хто першим зареєструється в системі Альфа Центавра А в популярній соціальній мережі Spacebook. І ось тут-то соціально активних астронавтів і космонавтів майбутнього чекає один неприємний сюрприз. Виявляється, що інтернету в цій зірковій системі немає! І, як заявляє системний адміністратор експедиції, не передбачається: «Передавачі, якими оснащені кораблі, недостатньо потужні для того, щоб налагодити постійний канал з високою пропускною здатністю між Сонцем і Альфою Центавра А». Тож швидкого інтернету, мовляв, не чекайте - максимум десятки кілобіт за секунду, як у кам'яному, тобто, вибачте, у XX столітті.
Але тут слово бере один з інженерів-зв'язківців, старий бібліофіл. Він приносить зі своєї каюти дорогоцінний старовинний фоліант, написаний на самому початку XXI століття, - "Польоти і комунікації в глибокому космосі: Використання Сонця як гравітаційної лінзи "(Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens, 2009) - і каже, що в цій книзі є вирішення проблеми, що виникла.
Клаудіо Макконе - відомий італійський астроном, керівник напряму космічних наукових досліджень Міжнародної академії астронавтики (International Academy of Astronautics, IAA) і голова постійного комітету IAA з SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence, пошуку позаземного розуму). Він довгий час пропрацював у компанії Alenia Spazio, де брав участь у розробці найрізноманітніших космічних апаратів, таких як науковий супутник Quasat, експериментальний «супутник на прив'язку» Tethered Satellite System (TSS) або сонячний парус для польоту до Марса.
Чотири роки шляху
Автора книги Клаудіо Макконе цікавить питання космічних комунікацій на великих відстанях. Дійсно великих, міжзоряних, оскільки навіть від найближчої до Сонця зоряної системи - Альфи Центавра - світло йде до нас більше чотирьох років.
На таких відстанях можна використовувати різні способи комунікацій. Скажімо, послати «лист у пляшці», тобто космічний зонд з інформацією. Ймовірність його прибуття до мети висока, і обсяг інформації досить великий (практично не обмежений), але ось тільки посилати такі зонди дуже невигідно як з економічної, так і з енергетичної точки зору, тому для створення постійного каналу зв'язку він підходить погано. Інший спосіб - за допомогою цілком традиційних засобів зв'язку, що використовують електромагнітні хвилі. Основна проблема такого зв'язку - витратність: навіть спрямований пучок електромагнітних хвиль, будь то радіо або світло, неминуче розходиться за рахунок дифракції. На боці приймача вловлюється лише мала частина енергії сигналу, посланого передавачем у простір. Боротися з цим можна, збільшуючи потужність сигналу, але цей шлях невигідний енергетично, та й підвищення чутливості приймача (в тому числі і установкою великих антен) має свою ціну, тим більше що зі збільшенням відстані між передавачем і приймачем ситуація погіршується.
Радіо з перешкодами
У своїй статті 2011 року "Міжзоряний радіозв" язок, поліпшений використанням Сонця як гравітаційної лінзи "(Interstellar radio links enhanced by exploiting the Sun as a Gravitational Lens) у журналі Acta Astronautica Клаудіо Макконе наводить розрахунки традиційного радіоканалу між Сонячною Альфою при передачі сигналу потужністю 40 Вт з Землі за допомогою гігантської 70-метрової антени системи NASA DSN (Deep Space Network), що має посилення 84 дБ (тобто підсилює потужність сигналу в основному напрямку більш ніж в 100 млн разів), на частоті 32 ГГц (Ка-діапазон, саме такий використовує зонд Cassini) і швидкості передачі 32 кбіт/с (таку має європейський космічний зонд Rosetta) і прийом за допомогою 12-метрової антени (з посиленням 69 дБ, тобто трохи менше ніж у 10 млн разів) космічного зонда в системі Альфа Центавра А частота появи помилкових бітів (bit error rate) становить 0,49. Це означає, що майже 50% інформації, що пересилається, втрачається, що, з точки зору Макконе, робить зазначений комунікаційний канал практично марним. Однак Макконе знайшов вихід з цього глухого кута. Причому принципово відрізняється від «гри м'язами». Вчений пропонує фокусувати радіосигнал, що відсилається до інших зірок... за допомогою Сонця.
За задумом Клаудіо Макконе, радіосигнал можна фокусувати гравітаційною лінзою - будь-яким масивним тілом, наприклад зіркою. Для цього передавач потрібно розташувати на «осі радіоканалу» на відстані, що перевищує мінімальну дистанцію фокусування (ця відстань залежить від радіусу і маси зірки). Для нашого Сонця воно становить 550 о.о. (у 13,75 рази перевищує радіус орбіти Плутона). Більша відстань краща - при цьому радіосигнал огинає Сонце на більшій відстані, де слабший вплив радіоперешкод сонячної корони.
Сонячна лінза
Те, що будь-яке масивне тіло в рамках загальної теорії відносності (ОТГ) буде викривляти траєкторію світлових променів, припустив ще Альберт Ейнштейн в 1915 році. Незабаром цей ефект був підтверджений експериментально, а в 1936 році Ейнштейн опублікував в журналі Science розрахунки, згідно з якими зірка може виступати в якості гравітаційної лінзи, що дає кільцеобразне зображення. Через рік американський астроном Фріц Цвіккі дійшов висновку, що лінзою може бути не тільки зірка, але й ціла галактика. Цей висновок змогли підтвердити лише в 1979 році, коли британські астрономи виявили об'єкт, що складається з двох розташованих на кутовій відстані 6 кутових секунд абсолютно ідентичних квазарів, і з'ясували, що це насправді один квазар, «роздвоєний» за допомогою ефекту гравітаційного лінзування далекою галактикою, що знаходиться між квазаром і Землею.