[論文レビュー] Searching for Extraterrestrial Intelligence with the Square Kilometre Array

Andrew Siemion, James Benford+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

Space Science and Extraterrestrial Life被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、広大な受電面積、柔軟なデジタル信号処理、および高い計算能力を活用することで、広い周波数帯域と広大な天の川領域をカバーする技術的・電波信号を検出可能な、これまでで最も感受性が高く包括的なSETI（地球外知的生命体探査）を実現する可能性を提示している。SKA1では、10 pc離れた場所に位置する地球型レーダー信号（EIRP ~10^17 erg/sec）を15分以内に検出可能であり、SKA2では、テレビ・ラジオ放送局に類似したより弱い信号（EIRP ~2×10^20 erg/sec）を太陽系近辺で検出可能である。

ABSTRACT

The vast collecting area of the Square Kilometre Array (SKA), harnessed by sensitive receivers, flexible digital electronics and increased computational capacity, could permit the most sensitive and exhaustive search for technologically-produced radio emission from advanced extraterrestrial intelligence (SETI) ever performed. For example, SKA1-MID will be capable of detecting a source roughly analogous to terrestrial high-power radars (e.g. air route surveillance or ballistic missile warning radars, EIRP (EIRP = equivalent isotropic radiated power, ~10^17 erg sec^-1) at 10 pc in less than 15 minutes, and with a modest four beam SETI observing system could, in one minute, search every star in the primary beam out to ~100 pc for radio emission comparable to that emitted by the Arecibo Planetary Radar (EIRP ~2 x 10^20 erg sec^-1). The flexibility of the signal detection systems used for SETI searches with the SKA will allow new algorithms to be employed that will provide sensitivity to a much wider variety of signal types than previously searched for. Here we discuss the astrobiological and astrophysical motivations for radio SETI and describe how the technical capabilities of the SKA will explore the radio SETI parameter space. We detail several conceivable SETI experimental programs on all components of SKA1, including commensal, primary-user, targeted and survey programs and project the enhancements to them possible with SKA2. We also discuss target selection criteria for these programs, and in the case of commensal observing, how the varied use cases of other primary observers can be used to full advantage for SETI.

研究の動機と目的

• Square Kilometre Array（SKA）を用いた包括的かつ大規模なSETI調査の科学的・技術的妥当性を確立すること。
• 広大な銀河間距離を越えて、高度な文明が発信する技術的電波信号を検出する挑戦に応えること。
• SKAの建設段階から初期にSETIをコア観測モードとして統合し、グローバルなアクセスを確保するとともに、科学的成果を最大化すること。
• SKAの感受性、帯域幅、柔軟なデジタルバックエンドを活用して、過去のSETI実験よりも広い信号タイプの探索を可能にすること。
• SKA1およびSKA2の感受性と調査能力を、さまざまな周波数帯域および光度閾値において、標的調査、スキャン調査、共用観測の各SETIプログラムについて予測すること。

提案手法

• SKAの広大な受電面積と感度の高い受信機を活用し、地球外源からの狭帯域および広帯域電波信号に対して、類稀な感受性を実現すること。
• 連続的狭帯域、パルス信号、変調信号など多様な信号タイプをリアルタイムで検出可能な柔軟なデジタル信号処理システムを実装すること。
• SKAの主な観測モード（例：天文学目的）を活用し、専用の観測時間なしに同時にSETI調査を実施できる共用観測プログラムを設計すること。
• 人工電波放射を天体的ノイズや外部干渉から区別するための高度な検出アルゴリズムを適用し、有意水準（σ = 12）と最大60分までの積分時間を利用すること。
• 等価放射出力（EIRP）と星の密度（n* = 0.1 pc⁻³）を用いてモデル化し、60 pc圏内での検出可能な星の数を、さまざまな信号の光度に対して推定すること。
• Arecibo、GBT、LOFAR、ATAなどの既存の電波望遠鏡との感受性を比較し、特にEIRP ~10^17 erg/secおよび~2×10^20 erg/secの信号に対して、SKA1およびSKA2の構成による改善を予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、地球の高出力レーダーに類似した技術的電波信号に対して、どの程度の感受性を示すのか？
• RQ2 SKA1およびSKA2を用いて、60 pc圏内でのSETI信号の調査が何個の星に対して可能であり、検出の限界光度は何か？
• RQ3 SKAにおける共用観測モードは、専用時間の割り当てなしに大規模なSETI調査を効果的に行うために利用可能か？
• RQ4 SKAの柔軟なデジタルバックエンドでは、どのような信号タイプと変調方式が検出可能であり、それらが過去のSETI作業のパラメータ空間をどのように拡張するか？
• RQ5 SKA2の感受性の向上により、地球のテレビ・ラジオ局に類似した低光度信号の検出がどの程度可能になるか？

主な発見

• SKA1-MIDは、10 pc離れた場所に位置する地球の高出力レーダー信号（EIRP ~10^17 erg/sec）を15分未満で検出可能である。
• 4ビームのSETIシステムを用いることで、SKA1は1分間でその主ビーム内に位置するすべての星を、Arecibo惑星レーダー（EIRP ~2×10^20 erg/sec）に類似した信号に対して調査可能である。
• SKA1を用いた5年間の共用SETIキャンペーンでは、60 pc圏内に位置する10,000個以上の星を、光度限界が約10^18 erg/secまで、過去の標的調査よりも1桁以上低い感度で調査可能である。
• EIRP ~2×10^20 erg/secの信号（例：地球のテレビ・ラジオ放送に類似）を検出するには、SKA2が必要であり、太陽系近辺でこのような送信機を検出できる感度を備えているのはSKA2のみである。
• EIRP ~10^17 erg/secの信号に対しては、より弱い信号よりも検出可能な星の数が顕著に多く、積分時間の延長や帯域幅の狭小化に伴い、検出数が増加する。
• SKAの設計段階からSETIを施設全体の観測モードとして明示的に統合しており、グローバルなアクセスを可能にするとともに、初期段階の科学実験と一般参加型活動を通じて、科学的成果を最大化している。