[論文レビュー] A Search for Optical Laser Emission Using Keck HIRES

Nathaniel K. Tellis, Geoffrey W. Marcy|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ケプラー宇宙望遠鏡で観測された1,368個の系外惑星を有する恒星および合計2,796個の恒星から、ケック望遠鏡を用いた高分解能分光法（λ/Δλ = 60,000）により、狭帯域の光学レーザー放射を探索した。レーザー信号は検出されず、通常のケプラー恒星に対しては約10⁻²光子 m⁻² s⁻¹、太陽型恒星（100光年以内）に対しては1光子 m⁻² s⁻¹の検出閾値が得られた。これは、現在の手法で100光年以内では90 W以上の出力、1,000光年以内では1 kW以上の出力を持つレーザーが検出可能であることを示している。

ABSTRACT

We present a search for laser emission coming from point sources in the vicinity of 2796 stars, including 1368 Kepler Objects of Interest (KOIs) that host one or more exoplanets. We search for extremely narrow emission lines in the wavelength region between 3640 and 7890 Angstroms using the Keck 10-meter telescope and spectroscopy with high resolution ($λ/Δλ$ = 60,000). Laser emission lines coming from non-natural sources are distinguished from natural astrophysical sources by being monochromatic and coming from an unresolved point in space. We search for laser emission located 2-7 arcsec from the 2796 target stars. The detectability of laser emission is limited by Poisson statistics of the photons and scattered light, yielding a detection threshold flux of approximately $10^{-2}$ photons $m^{-2} s^{-1}$ for typical Kepler stars and 1 photon $m^{-2} s^{-1}$ for solar-type stars within 100 light-years. Diffraction-limited lasers having a 10-meter aperture can be detected from 100 light-years away if their power exceeds 90 W, and from 1000 light-years away (Kepler planets), if their power exceeds 1 kW (from lasers located 60-200 AU, and 2000-7000 AU from the nearby and Kepler stars, respectively). We did not find any such laser emission coming from any of the 2796 target stars. We discuss the implications for the search for extraterrestrial intelligence (SETI).

研究の動機と目的

• 系外惑星を有する恒星から、人工的レーザー送信を示す狭帯域で単色の光学発光線を探索すること。
• 光子統計と散乱光の制限を考慮して、地球外レーザー信号の検出可能性を評価すること。
• 回折限界のビーム伝播を想定し、地球からの距離に応じたレーザー出力の検出閾値を確立すること。
• 目標恒星から数十～数百度の距離に位置する技術的構造物からのレーザー放射の検出可能性を検討すること。
• 高度な文明が恒星間通信に光学レーザーを用いる可能性を検証するという仮説を検証することで、広義のSETI活動に貢献すること。

提案手法

• ケックHIRES装置を用いた高分解能分光法（λ/Δλ = 60,000）を用い、3,640–7,890 Åの波長域で恒星の光を分析した。
• 恒星の光が支配しないように、標的恒星から2–7弧秒ずれた位置に、極めて狭帯域の発光線（単色）を探索した。
• ポisson光子統計と散乱光の影響に基づき検出閾値を計算し、通常のケプラー恒星に対しては~10⁻²光子 m⁻² s⁻¹の放射束限界を得た。
• 距離関数としての検出可能なレーザー出力をモデル化し、10メートル口径の望遠鏡で100光年では90 W、1,000光年では1 kW以上の出力を持つレーザーが検出可能であることを示した。
• 空間的分離（2–7弧秒）を用いて恒星の雑音を回避し、近接恒星から10–100 AU、ケプラー恒星から2,000–7,000 AUの距離に位置するレーザーを効果的に探査した。
• 将来的な研究で2弧秒以内の内側作業角度におけるレーザー探索を計画しており、その場合の検出感度は約100倍低下する見込みである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星を有する恒星から、人工的レーザー送信を示す狭帯域で単色の光学発光線を検出できるか？
• RQ2 現在の高分解能分光法を用いた場合、地球からの距離に応じて、最小でどの程度の出力のレーザーが検出可能か？
• RQ3 恒星からの角度分離（2–7弧秒）が、恒星の雑音を避けることでレーザー信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 100光年および1,000光年離れた距離からの回折限界レーザーの放射束および出力の閾値は何か？
• RQ5 スローンデジタルスカイサーベイ（Sloan Digital Sky Survey）のような既存の分光調査が、レーザー信号探索に再利用可能か。その制限は何か？

主な発見

• 2,796個の標的恒星（うち1,368個はケプラーのオブジェクト・オブ・インタレスト）から、いかなるレーザー放射信号も検出されなかった。
• ケプラー恒星の一般的な場合、レーザー放射束の検出閾値は約10⁻²光子 m⁻² s⁻¹であり、太陽型恒星（100光年以内）では1光子 m⁻² s⁻¹である。
• 回折限界のレーザーで出力が90 Wを超えるものであれば100光年以内、1 kWを超えるものであれば1,000光年以内の距離から検出可能である。
• 近接恒星から60–200 AU、ケプラー恒星から2,000–7,000 AUの距離に位置するレーザーは、現在の機器で検出可能である。
• 2–3弧秒の内側作業角度は、10–100 AU以内に位置するレーザーに限局し、1 AU（例：地球に類似した惑星）に位置するレーザーは除外される。
• 今後の2弧秒以内の内側作業角度における探索では、恒星光からの光子ノイズ増加により、検出感度が約100倍低下するため、放射束の閾値が大幅に上昇する。