Le signal radio se désintègre-t-il lorsqu'il parcourt l'espace intergalactique?

Lorsque vous émettez le signal radio, il commence à se déplacer à la vitesse de la lumière. Le faisceau radio diffuse à chaque kilomètre parcouru par le signal. Pour le récepteur le plus proche, le signal est fort. Mais si le récepteur est éloigné, le signal deviendra de plus en plus faible jusqu'à ce qu'il devienne un bruit. La question est donc de savoir si la même chose se produit dans l'espace lointain et quelle distance le signal radio (ou toute fréquence d'onde électromagnétique) pourrait parcourir jusqu'à ce qu'il devienne du bruit?

La première chose à considérer est que la zone d'un faisceau va, sur de longues distances, diffuser. La meilleure situation que nous pouvons espérer est un système à diffraction limitée, où cette diffusion est minimisée maximisant ainsi notre signal reçu. Autrement dit, nous avons en théorie un faisceau de transmission parfaitement collimaté qui ne diverge ni ne converge.

En pratique, nous sommes encore limités par la diffraction. Un système limité par diffraction est décrit par la formule

$$\sin\theta = \frac{1.22\lambda}{D},$$

qui prescrit une résolution angulaire en termes de longueur d' onde et une ouverture circulaire de diamètre . C'est ce qu'on appelle le critère de Rayleigh . La définition de la résolution angulaire, dans ce cas, est lorsque deux sources ponctuelles sont juste discernables l'une de l'autre où le maximum principal du motif de disque aérien d'une source coïncide avec le premier minimum d'une autre. C'est cette définition qui se traduit par la constante apparemment arbitraire de .$\theta$$\lambda$$D$$1.22$

Nous pensons généralement que la diffraction est applicable en termes de réception d'un signal - par exemple, un télescope spatial aura généralement un système optique à diffraction limitée. Cependant, les mêmes lois sont valables, que nous recevions ou envoyions un signal. Le chemin optique est le même. Tout est juste à l'envers!

Note latérale: si nous projetions plutôt une image dans l'espace , afin de résoudre l'image de manière acceptable, un récepteur devrait avoir une résolution angulaire égale ou supérieure à la projection. Cela inclut un critère de résolution spatiale en plus des performances signal / bruit décrites ci-dessous.

Pour faire un exemple concret, considérons un signal radio. Puisqu'un récepteur éloigné recevra un signal modulé en fréquence qui n'est pas différent de la radio FM, nous ne nous soucions pas de la résolution angulaire. Nous ne nous soucions pas si "l'image" est floue, ou même si certaines zones du faisceau transmis à l'origine manquent entièrement notre récepteur. Tout ce qui nous intéresse, c'est la modulation de la fréquence dans le temps - c'est un signal unidimensionnel.

Dans ce cas, un récepteur est un système à bruit limité. Ce rapport de la NASA souligne certaines des limites auxquelles une mise en œuvre réaliste de la communication interstellaire doit faire face. Même dans le cas d'un système à bruit quantique limité, nous pouvons encore tirer le meilleur parti des limitations qui nous sont imposées.

Si le rapport signal / bruit est supérieur à un seuil acceptable, le signal sera bien reçu. Il y a tellement de facteurs à considérer que seule une estimation d'ordre de grandeur est réellement réalisable. Je n'en sais pas assez pour trouver moi-même une bonne estimation des niveaux de bruit d'un système particulier.

Le projet Cyclops (1971) était la première enquête sur la faisabilité d'une recherche d'intelligence extraterrestre. Par exemple, à la page 41, nous pouvons voir que la température de bruit minimale d'un récepteur recevant le message Arecibo à 2,4 GHz est d'environ 4K - le principal contributeur au bruit ici est le CMB. Des fréquences de cet ordre de grandeur fourniront généralement les meilleures performances de bruit possibles - trop élevées et le bruit quantique et les effets atmosphériques deviennent importants. Trop faible et le bruit galactique prend le dessus.

Cette température de bruit fournit un plancher de bruit pour le signal. Le récepteur introduit généralement une température de bruit significative de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de Kelvin, de sorte que toute limitation pratique de la communication interstellaire a tendance à devenir une fonction de notre équipement.

Bien que le message Arecibo ait été diffusé à une bonne fréquence, pour la communication à très longue distance, la modulation d'amplitude est supérieure à la modulation de fréquence car il est facile d'augmenter la durée et l'intervalle d'impulsion pour compenser une puissance de signal plus faible.

Ce tableau de la page 50 du rapport Cyclops qui en vaut la peine montre qu'une seule combinaison émetteur / récepteur de , avec une puissance d'émission de , pourrait fonctionner à distance de 500 années-lumière.$100~ \mathrm{m}$$10^5~\mathrm{W}$

La construction de plus grands émetteurs et récepteurs augmentera la distance maximale de communication. Il en sera de même pour la puissance de transmission, la durée d'impulsion et l'intervalle d'impulsion. La technologie actuelle pourrait nous permettre de communiquer sur des dizaines ou des centaines d'années-lumière. Pour communiquer davantage, construisez simplement quelque chose de plus grand . Les lois de la physique imposent peu de limites à la distance que nous pouvons communiquer.

Tout rayonnement électromagnétique provenant d'une source ponctuelle - qui est un émetteur radio normal - se propage selon la loi du carré inverse, ce qui signifie que l'intensité du signal est inversement proportionnelle au carré de la distance. Cela se produit également sur terre et dans l'espace lointain.

Cela signifie donc que pour tout signal, il y aura une distance à laquelle il deviendra impossible à distinguer du bruit de fond de l'univers. Cependant, cette distance dépendra de la force initiale du signal.