Có phải tín hiệu vô tuyến bị phân rã khi nó đi qua không gian giữa các thiên hà?

Khi bạn phát ra tín hiệu radio, nó bắt đầu di chuyển với tốc độ ánh sáng. Chùm sóng vô tuyến đang khuếch tán với mỗi km tín hiệu đã truyền đi. Để người nhận gần đó tín hiệu mạnh. Nhưng nếu máy thu ở xa, tín hiệu sẽ ngày càng yếu đi cho đến khi nó trở thành nhiễu. Vì vậy, câu hỏi là điều tương tự xảy ra trong không gian sâu và tín hiệu vô tuyến khoảng cách (hoặc bất kỳ tần số sóng điện từ nào) có thể truyền đến khi nó trở thành nhiễu?

Điều đầu tiên cần xem xét là diện tích của chùm tia sẽ, trên khoảng cách xa, khuếch tán. Tình huống tốt nhất chúng ta có thể hy vọng là một hệ thống hạn chế nhiễu xạ, trong đó sự khuếch tán này được giảm thiểu do đó tối đa hóa tín hiệu thu được của chúng ta. Đó là, về lý thuyết, chúng ta có một chùm truyền dẫn chuẩn trực hoàn hảo mà không phân kỳ cũng không hội tụ.

Trong thực tế, chúng ta vẫn bị giới hạn bởi nhiễu xạ. Một hệ thống giới hạn nhiễu xạ được mô tả bởi công thức

$\theta$$\lambda$$D$$1.22$

Chúng ta thường nghĩ về nhiễu xạ được áp dụng trong điều kiện nhận tín hiệu - ví dụ, kính viễn vọng không gian thường sẽ có hệ thống quang học giới hạn nhiễu xạ. Tuy nhiên, các luật chính xác tương tự vẫn đúng cho dù chúng tôi đang nhận hoặc gửi tín hiệu. Đường dẫn quang là như nhau. Mọi thứ chỉ là đảo ngược!

Lưu ý bên lề: nếu chúng ta thay vào đó chiếu một hình ảnh vào không gian , để có thể phân giải hình ảnh một cách có thể chấp nhận, một người nhận sẽ cần phải có độ phân giải góc bằng, hoặc lớn hơn so với hình chiếu. Điều này bao gồm một tiêu chí độ phân giải không gian bên cạnh hiệu suất nhiễu tín hiệu được thảo luận dưới đây.

Để làm một ví dụ thực tế, hãy xem xét tín hiệu radio. Vì một máy thu ở xa sẽ nhận được tín hiệu điều chế tần số không giống như đài FM, chúng tôi không quan tâm đến độ phân giải góc. Chúng tôi không quan tâm nếu "hình ảnh" bị mờ hoặc thậm chí nếu một số khu vực của chùm được truyền ban đầu hoàn toàn bỏ lỡ máy thu của chúng tôi. Tất cả những gì chúng tôi quan tâm là sự điều biến tần số theo thời gian - đó là tín hiệu một chiều.

Trong trường hợp này, một máy thu là một hệ thống hạn chế tiếng ồn. Báo cáo này của NASA nêu ra một số hạn chế mà việc triển khai thực tế trong giao tiếp giữa các vì sao phải giải quyết. Ngay cả trong trường hợp hệ thống hạn chế tiếng ồn lượng tử, chúng ta vẫn có thể tận dụng tối đa những hạn chế đối với chúng ta.

Nếu tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm vượt quá ngưỡng chấp nhận được thì tín hiệu sẽ được nhận tốt. Có rất nhiều yếu tố để xem xét rằng thực sự chỉ có một ước tính thứ tự độ lớn là khả thi. Tôi không biết đủ về điều này để đưa ra một ước tính chính xác về mức độ tiếng ồn của một hệ thống cụ thể.

Project Cyclops (1971) là cuộc điều tra ban đầu về tính khả thi của việc tìm kiếm trí thông minh ngoài trái đất. Ví dụ, ở trang 41, chúng ta có thể thấy rằng nhiệt độ tiếng ồn tối thiểu của máy thu nhận thông báo Arecibo 2,4 GHz là khoảng 4K - người đóng góp chính cho tiếng ồn ở đây là CMB. Các tần số của thứ tự cường độ này thường sẽ cung cấp hiệu suất tiếng ồn tốt nhất có thể - quá cao và tiếng ồn lượng tử và hiệu ứng khí quyển trở nên đáng kể. Quá thấp, và tiếng ồn thiên hà chiếm.

Nhiệt độ tiếng ồn này cung cấp một tầng nhiễu cho tín hiệu. Máy thu thường đưa ra nhiệt độ tiếng ồn đáng kể ở mức độ hàng chục hoặc hàng trăm Kelvin, do đó, bất kỳ hạn chế thực tế nào trong giao tiếp giữa các vì sao có xu hướng trở thành một chức năng của thiết bị của chúng tôi.

Mặc dù thông điệp Arecibo được phát ở tần số tốt, nhưng điều chế biên độ giao tiếp ở khoảng cách rất dài so với điều chế tần số vì nó dễ dàng tăng thời lượng xung và khoảng thời gian để bù cho cường độ tín hiệu yếu hơn.

$100~ \mathrm{m}$$10^5~\mathrm{W}$

Xây dựng các máy phát và máy thu lớn hơn sẽ tăng khoảng cách tối đa của thông tin liên lạc. Vì vậy, sẽ tăng công suất truyền, thời lượng xung và khoảng thời gian xung. Công nghệ hiện tại có thể cho phép chúng ta giao tiếp trong hàng chục hoặc hàng trăm năm ánh sáng. Để giao tiếp xa hơn, chỉ cần xây dựng một cái gì đó lớn hơn . Các định luật vật lý đặt ra một vài giới hạn về khoảng cách chúng ta có thể giao tiếp.

Tất cả các bức xạ điện từ từ một nguồn điểm - mà một máy phát vô tuyến bình thường - truyền theo định luật nghịch đảo bình phương có nghĩa là cường độ của tín hiệu tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách. Điều này xảy ra trên trái đất và trong không gian sâu như nhau.

Vì vậy, điều này có nghĩa là đối với bất kỳ tín hiệu nào, sẽ có một khoảng cách mà nó trở nên không thể phân biệt được với tiếng ồn nền của vũ trụ. Tuy nhiên, khoảng cách đó sẽ phụ thuộc vào cường độ ban đầu của tín hiệu.