Что мы узнаем из шумных сигналов из дальнего космоса

Существует искусство находить озарения в космической статике - и эксперты Лаборатории реактивного движения совершенствуют его.

Отредактировано 2023-25-06
21-этажная антенна DSS-14 в пустыне МохавеРасположенная в пустыне Мохаве 21-этажная антенна DSS-14 может принимать сигналы от космических зондов в Солнечной системе и за ее пределами.

Посмотрите вверх. Где-то за пределами нашей Солнечной системы, где значительно ниже нуля, кромешная тьма, а ближайшая звезда находится на расстоянии 400 веков, электрический заряд вызывает радиосигнал. Всплеск слабый, около 22 ватт, не больше, чем требуется обычной лампочке в холодильнике. Источник - "Вояджер I". Его 12-футовая антенна зовет домой из черноты.

Двадцать с лишним часов спустя, после эпического межзвездного путешествия, эта пульсирующая волна достигнет Земли. К тому времени, когда пинг достигнет Земли, его сила резко уменьшится - до 0,1 миллиарда-миллиардной доли ватта. Путешествие сигнала через нашу Солнечную систему закончилось, но его путь только начался. Теперь перед нами стоит задача не просто пересечь наш уголок галактики, а услышать и осмыслить информацию, содержащуюся в этом сообщении - самом далеком шепоте нашего собственного творения.

Для захвата этого крошечного кусочка почти ничего не требуется высококвалифицированный и технический слух. Их несколько. Для "Вояджеров" I и II они имеют форму трех тарелок высотой в 21 этаж - каждая диаметром 230 футов и весом почти 3 000 тонн - расположенных равномерно по всему земному шару. Созданные специально для прослушивания дальнего космоса, они обращены к небу и готовы принимать ежедневные отчеты о состоянии зондов.

Одна из антенн, получившая название DSS-14, возвышается над одиноким участком пустыни Мохаве в Южной Калифорнии, примерно в 60 милях от ближайшего шоссе. Она расположена в небольшой долине между невысокими скалистыми горами - остатками давно исчезнувших вулканов. Чтобы приблизиться к нему, нужно пройти через два уровня ворот безопасности военной базы Форт Ирвин. На обширном инструктаже вас познакомят с соседями, среди которых неразорвавшиеся боеприпасы, три вида гремучих змей, верблюжьи пауки, скорпионы и стаи одичавших ослов, которые так и норовят подскочить и откусить кусок от ничего не подозревающего посетителя просто ради забавы.

DSS-14 появляется за поворотом дороги, стоит как часовой, отбрасывая длинную, искривленную тень на светлый пол пустыни. Над головой стервятники гоняют ветер по ободу. Все тихо, кроме порывов ветра и хруста, хруста, хруста шагов по песку. Но есть и другой звук, где-то далеко за пределами человеческого слуха, смешанный с гулом остальной вселенной.

На территории комплекса в Форт-Ирвине, который Лаборатория реактивного движения НАСА назвала Голдстоун в честь давно заброшенного шахтерского городка, расположено около дюжины небольших антенн, первая из которых заработала в 1958 году. (Списанная антенна "Аполлона" до сих пор бродит по заросшей кустарником земле.) Подобные поля есть в австралийском буше, недалеко от Канберры, и в Робледо-де-Чавела, недалеко от Мадрида, которые были созданы в 1965 году. DSS-14 и его международные копии появились в 1960-х и 70-х годах. Начиная с полета "Меркурия IV" в 1964 году, эти три массива связывали нас с каждым аппаратом, который мы отправляли выше низкой околоземной орбиты.

Расположение гаргантюанских ушей имеет ключевое значение. Три объекта разнесены по долготе (120 градусов друг от друга для полного охвата 360) и объединены по близости. Близость - это примерно ничего. Изоляция не позволяет мощным космическим сигналам и земным сообщениям, таким как болтовня авиадиспетчеров, мешать друг другу.

Эти три объекта и их антенны составляют Deep Space Network - программу, управляемую из штаб-квартиры JPL в Пасадене, штат Калифорния. Система постоянно прослушивает пинги и посылает команды примерно 40 зондам, космическим аппаратам, спутникам и роверам. Некоторые из них находятся так близко, как Луна. Другие находятся далеко, например, Juno, проносящийся вокруг Юпитера, и New Horizons, который в середине 2015 года пролетел над Плутоном. И, конечно же, "Вояджеры" I и II, запущенные в 1977 году для изучения Юпитера и Сатурна. Это самые старые и самые дальние миссии НАСА, JPL и других организаций.

Загрузки с двух "Вояджеров" дают представление о редком мире межзвездного пространства: наблюдения за низкоэнергетическими заряженными частицами, магнитными полями и плазмой, составляющей большую часть нашей Вселенной. Данные передаются по форме волны в виде строк единиц и нулей со скоростью 160 бит в секунду (это одна пятнадцатая часть информации самого медленного факсимильного аппарата). Изучение этих данных помогло физикам определить контуры гелиосферы - магнитного пузыря, окружающего нашу Солнечную систему, - и определить скорость солнечного ветра.

В то время, когда НАСА экспериментирует с более быстрыми и плотными системами связи на основе света, легко предположить, что радио исчезнет. Однако одно никогда не затмит другое. Поскольку зонды "Вояджер" доводят технологию до крайних пределов, они напоминают обо всех уникальных возможностях, которые радиоволны собирают на своем пути. Шум, который сигналы улавливают, проходя мимо планет, лун и астероидов, дает возможность заглянуть в наш космический мир. В некоторых случаях помехи не менее ценны, чем само сообщение.

Лаборатория реактивного движенияТак называемая "темная комната" в JPL следит за более чем тремя десятками аппаратов. Сотрудники круглосуточно работают с мониторами, получая данные из дальнего космоса. AFP/Getty Images

В пол одной из комнат кампуса Лаборатории реактивного движения вмонтирована табличка с надписью "Центр Вселенной". Каждый сигнал от каждого объекта, который мы посылаем в Солнечную систему, проходит через это помещение. Так называемая "темная комната", тусклость которой усиливается свечением десятков мониторов, работает круглосуточно с первых дней существования сети Deep Space Network. Мало что может остановить работу здесь. Ни дождь, ни землетрясения, ни даже пожар. Когда несколько лет назад вспыхнул пожар, инженеры работали с терминалами дистанционно, сквозь дым, чтобы не пропустить ни одного звонка из космоса.

В данный момент, сгрудившись вокруг пары экранов, двое бородатых мужчин смотрят на строку цифр и цветных линий. Это нисходящий канал связи, поступающий от зонда Juno, который находится на орбите Юпитера с 2016 года. Майк Левеск, управляющий операциями сети и соответствующей деятельностью "Темной комнаты", стоит рядом, наблюдает и объясняет процесс. "Это операторы систем данных", - говорит он, кивая на двух бородатых мужчин. "Их работа - собирать информацию о космическом корабле" - температура, топливо, что включено, что выключено - "и отправлять ее в службу поддержки". На "Вояджере I", например, из 160 бит только около 10 имеют отношение к происходящему на борту корабля.

Остальные пакеты данных отправляются в другие места, в основном к ученым, а не к инженерам. Первых интересует то, что приборы говорят нам о пространстве вокруг зонда, а не сам зонд.

Два человека перед экранами запускают программы, которые убирают все единицы и нули. Но иногда они сохраняют шум, потому что интерференция также представляет интерес. Когда сигнал распространяется через любую среду, подвергаясь ударам атмосферы или гравитационного поля, результирующие изменения в волне раскрывают истины о пространстве. "Когда аппарат движется через что-то интересное, данные о шуме - это то, что нам нужно", - говорит Левеск. В такие моменты "шум в сигнале оказывается наукой".

Когда это происходит, данные попадают к Камалу Удрхири, который возглавляет группу планетарных радаров и радионаук JPL. Он объясняет, что для того, чтобы понять, чем он занимается, нужно представить себе школьный автобус, полный детей. Единственная цель водителя - доставить всех детей в целости и сохранности. Но что, если бы вы вообще не заботились о малышах? Что, если вместо этого вас действительно интересует автобус?

Школьники в аналогии Оудрири - это данные, передаваемые сигналом. Сигнал - это автобус. Бортинженеры и сотрудники, обслуживающие Центр управления полетами, заботятся о данных так же, как почти все заботятся о детях. Но ученым-радиотехникам интереснее само транспортное средство, потому что оно наполнено шумом.

Если внимательно изучить автобус, можно понять, через что он прошел, направляясь к месту назначения. Отметины, дефекты - уродливые, неправильной формы части - расскажут вам о путешествии: не только о пройденном пути, но и о других транспортных средствах, погоде, движении по маршруту. Такие люди, как Оудрхири, тщательно изучают эти мириады дефектов в масштабе, примерно равном размеру Вселенной.

Многие из самых первых экспериментов в области радионауки были непреднамеренными. В 1971 году, когда зонд "Маринер-9" пролетал мимо Марса, его сигнал прошел через атмосферу Красной планеты, которая столкнулась с волной и изменила ее. "Люди из телекоммуникационного отдела восприняли это как помехи, но другие увидели, что если изучить эти помехи, то можно определить плотность, давление и даже температуру атмосферы на Марсе", - продолжает Оудрхири. "Это было началом науки о радио".

С тех пор внимательное изучение космических шумов углубило наше понимание Солнечной системы. Например, помехи в передачах зонда "Кассини" помогли выяснить, что разноцветные кольца Сатурна сформировались гораздо позже, чем сама планета - 10-100 миллионов лет назад против 4,5 миллиардов. В ходе лунной миссии НАСА GRAIL в 2012 году два аппарата перебрасывали радиоволны туда и обратно, чтобы узнать о внутреннем строении Луны. Изучение того, как гравитационные поля вмешиваются в передаваемые сигналы, помогло доказать, что большая часть коры орбитального аппарата не такая плотная, как мы считали ранее.

Оудрири любит радиотехнику за ее простоту. Сигнал - это волна с амплитудой (максимумы и минимумы), фазой (характер этих максимумов и минимумов) и частотой (количество провалов и пиков в данном интервале). Искажения в этих характеристиках легко заметить. Если вы примерно знаете, как должны выглядеть пульсации, вы узнаете, когда они изменились. Это похоже на дымовой сигнал, который исчезает до того, как вы успеваете разглядеть узор, и который подсказывает вам, что дуновение ветерка не ощущается.

Космический гул зонда "Вояджер" всегда содержит одну жизненно важную научную информацию о радио. По мере того, как оба аппарата продолжают свой полет со скоростью 38 000 миль в час дальше в глубокий космос, акустическое явление, известное как эффект Доплера, слегка растягивает длину волны сигнала - так же, как тон воя сирены меняется, когда мимо проносится машина скорой помощи. Это изменение сообщает наземному экипажу, какое расстояние пролетел "Вояджер" между ежедневной регистрацией и 20 с лишним часами, которые требуются для того, чтобы звонок дошел до нас. Это также помогает им продолжать прокладывать курс межзвездного первопроходца. Если они знают, куда направляется аппарат, они знают, куда повернуть эти гигантские антенны, чтобы снова его услышать.

Теперь, когда каждый зонд завершил свою основную миссию, новая цель - "как мы можем растянуть его и растянуть его - как долго мы можем заставить его работать?" - говорит Сюзанна Додд, руководитель проекта "Вояджер" и глава Директората межпланетных сетей JPL.

Передача команд этим внесолнечным исследователям - работа над тем, чтобы замедлить нашу слабеющую возможность проникновения в глубокий космос - в основном заключается в управлении питанием зондов. Все резервные системы на борту на данный момент отключены. Это означает, что оба аппарата вырабатывают очень мало тепла в условиях экстремального межзвездного холода, поэтому гидразиновое топливо в топливных магистралях может замерзнуть. Центр управления полетами перебирает системы, выясняя, какие из них стоит сохранить в живых с единственной целью - прогреть трубопроводы. Это работа по устранению неполадок, на одних из самых старых компьютеров, которые еще работают.

Управление полетами "Вояджера" находится в паре миль от кампуса JPL, в здании из шлакоблока без вывесок и высоких окон - это здание, не бросающееся в глаза и скрывающееся за стеной листвы. По соседству находится Макдональдс. Именно здесь команда из 12 человек поддерживает жизнь самых далеких объектов, когда-либо созданных человеком, управляет ими, ухаживает за ними и уговаривает отправиться в космос.

Там люди хотят услышать сигнал, а не шум. Инженер систем космических аппаратов Фернандо Перальта глубоко заботится о том, какие сообщения передают "Вояджеры I и II" домой - о детях в пресловутом автобусе Оудрири. Все, что не идеально, любые помехи, беспокоят его. Когда мы получаем сигнал, и я вижу, что он волнистый, я думаю: "Почему он движется вверх-вниз? Это может быть общее состояние космического аппарата - или просто пасмурный или ветреный день. Но для нас слишком много шума - это катастрофа".

Запутанная пульсация также чревата потерей вида на звуковой ландшафт, который могут обеспечить только эти аппараты. На борту "Вояджера I" установлена цифровая восьмидорожечная дека для записи плазменных волн, колебаний ионов и электронов, которые создают своего рода океаническое течение за пределами Солнечной системы. Дека все еще включена (отчасти потому, что она выделяет достаточно тепла, чтобы топливные магистрали оттаяли) и три раза в неделю записывает 48 секунд окружающего грохота. Когда "Вояджер I" сбрасывает данные, все активные антенны в Калифорнии или Испании проводят по меньшей мере четыре часа, извлекая из дальнего космоса волнистый, неземной рев статических помех.

Перальта проходит через скопление кабинок. Над ним подвешенная к потолку небольшая табличка с надписью Mission Control. Современные компьютеры стоят по бокам от устройства для чтения микрофильмов, где команда просматривает старые чертежи. На данный момент он руководит отключением многих систем на обоих зондах "Вояджер". Каждый день, когда он может прийти и обнаружить, что пара снова позвонила домой, он чувствует себя как дополнительный день. "Это такое особенное место в космосе, в которое мы вряд ли вернемся в течение моей или, скорее всего, любой из наших жизней", - говорит он. "Данные очень, очень ценны. Они ценны для нас. Они помогают нам оставаться на связи".

Скоро - через несколько месяцев, несколько лет - эта связь прекратится. Тепло на Voyager I или II уменьшится настолько, что топливопровод замерзнет, топливо больше не сможет поступать к двигателю, и корабль не сможет хоть немного изменить траекторию полета, направить свою антенну в сторону Земли и сказать "привет". Его сообщения по-прежнему будут распространяться по космосу, но мы не сможем их поймать и расшифровать". Руководитель проекта Додд говорит об этом совершенно определенно: "Вы потеряете сигнал. И на этом все закончится".

Еще до того, как у "Вояджера II" закончится бензин, команда миссии готовится к периоду отключения. Поскольку траектория движения аппарата проходит вдали от Земли и опускается ниже плоскости Солнечной системы, услышать его может только антенна внизу. Эта антенна не будет передавать сигнал в течение почти года, пока НАСА будет оснащать ее тестовыми зеркальными решетками и оптическими датчиками для предстоящей попытки дополнить радиосвязь светом. Отпуская зонд на 10 месяцев в самостоятельное плавание, агентство идет на стратегическую жертву: прекратить посылать команды "Вояджеру II" и его антенне, работающей только на радио, чтобы позволить новому поколению аппаратов звонить домой еще долго после того, как старые зонды замолчат.

В течение десятилетий НАСА экспериментировало с расширением своей сети таким образом - используя импульсы лазерного излучения, которые могут передавать экспоненциально больше данных быстрее и на меньшее количество ушей. Для этого есть несколько причин. Во-первых, космос становится переполненным, и все эти сигналы загромождают радиосвязь и делают составление расписания в сети глубокого космоса сложной и трудоемкой задачей. Во-вторых, поскольку мы продолжаем исследовать такие места, как Марс, нам нужно будет сбрасывать гораздо больше видео за гораздо меньшее время. Зонд НАСА Psyche, изучающий астероиды, при запуске в 2022 году станет одним из первых, кто получит оптическую связь.

Однако свет имеет свои пределы. Облака, например, могут изгибать и блокировать его, в то время как радиоволны могут проникать сквозь большинство атмосферных условий. Системы также довольно дешевы, относительно говоря. "В космосе всегда приходится дорого платить за массу", - говорит ученый-радиотехник Оудрхири. Техника, на которую опирается его работа, опирается на уже существующее оборудование, которое существует со времен наших первых космических исследований, от воздушных шаров "Эхо" до "Аполлона" и до наших дней.

Связь в глубоком космосе с помощью радиоволн никогда не исчезнет, потому что она проста и работает. "Люди часто придумывают очень сложные решения для сложных проблем", - говорит Удрири. "Но так часто решение можно найти в самой простой вещи: просто посмотрите на все, что мы узнали, обратив внимание на то, как изменяется сигнал".

Оказывается, довольно много: плотность Луны, возраст колец Сатурна, границы Солнечной системы. Сигнал и его шум помогают нам понять наше место во Вселенной - дороги и погоду вокруг одинокой голубой скалы, которой является Земля.