减弱器

太阳是信号放大器爱因斯坦在100年前早已

发布时间:2023/3/17 5:09:34   
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目前,人类发射了各种无人探测器,前往月球、火星、木星等天体进行探测。然而,这些天体离地球非常遥远,探测器要把捕捉到的图像和数据传回地球不是一件容易的事情。

我国的天问一号环绕器在绕着火星飞行,祝融号火星车在火星表面上行驶。为了接收到上亿公里外探测器传来的无线电信号,我国专门配备了口径达到66米的射电望远镜。

但即便如此,祝融号对地的通信速率最快仅为40kbps,而环绕器最快也只有4Mbps。因此,在大部分时候,祝融号的探测数据都是先传给环绕器,然后再传回地球。

下个月开始,天问一号环绕器将要进行变轨,进入遥感轨道,开始自己的探火任务。到了那时,环绕器与火星车的中继通信要变少。目前的计划是,让祝融号与欧洲航天局(ESA)的火星快车号轨道器进行通信,然后把数据传到ESA,最后再传回我国。

由于信号的强度会随着距离平方而迅速衰减,所以遥远距离的通信很困难。美国宇航局(NASA)的旅行者1号目前远在亿公里之外,信号以光速传回地球还要耗时21.3小时。

在如此遥远的距离进行通信,旅行者1号在发出信号时的功率约为20瓦,而当信号到达地球时,已经衰减为万亿亿分一(1×10^-23)瓦。旅行者1号的数据以每秒比特的速度实时传回地球,记录下来的等离子体科学数据每年以2.8kbps的速度发送几次。地面的深空网络发出的上行指令,以16bps的速度发送到旅行者1号。

如果考虑到未来更远的探测任务,比如去4.2光年外的比邻星进行探测,把数据传回地球,我们需要更加行之有效的通信方式。对此,物理学家迈克尔·希普克(MichaelHippke)提出用太阳作为信号放大器,以此来实现星际通信。

在《三体》中,人类发现太阳可以作为无线电波放大器,通过太阳能把足够强的信号传给4光年外的三体世界。但在现实中,太阳本身并不是无线电波的放大器,太阳放大信号的关键是引力。

多年前,爱因斯坦创立了著名的广义相对论。根据这个引力理论,引力其实不是一种真正意义上的力,而是一种时空几何效应。像太阳这样的大质量天体会弯曲平坦的空间,使得周围的天体都被困在弯曲空间中,这样看起来就像是被引力束缚住一样。

由于太阳周围的空间被弯曲,当光线经过时也会发生偏转,爱因斯坦预言了偏转的角度,预言值与观测结果完全吻合。如果天体的引力足够强大,比如星系或者星系团,强烈扭曲周围的空间,让远处传来的光经过附近时被大幅弯曲,这样会形成扭曲的图像,甚至是重影,这就是引力透镜效应。

虽然太阳的引力没有那么强大,不能让电磁波强烈扭曲,但物理学家经过计算发现,太阳产生的引力透镜确实可以大幅放大信号。只需把口径1米的望远镜送到距离太阳亿公里的地方,就能达到直径10公里以上的传统望远镜效果。

理论上,通过太阳引力透镜,我们可以有效接收到来自4光年外的无线电信号,甚至还能接收到视频数据。如果不是这样,未来的星际探测任务需要探测器携带巨大的能源,并且地面上还要建造巨大的的望远镜,这都是不现实的。

另外,通过这样的望远镜也能更高效地搜寻宇宙中的外星生命和文明。宇宙这么大,我们是孤独的可能性并不大。在不远的未来,我们也许就能接收到外星文明发出的信号。



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