[논문 리뷰] A Search for Optical Laser Emission Using Keck HIRES

Nathaniel K. Tellis, Geoffrey W. Marcy|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 13.

Space Science and Extraterrestrial Life참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 케플러 망원경에서 관측한 1,368개의 외계행성 행성계를 포함한 총 2,796颗의 별들로부터 좁은 대역의 광학 레이저 신호를 Keck 망원경에서 고해상도 분광법(λ/Δλ = 60,000)을 사용하여 탐색하였다. 레이저 신호는 검출되지 않았으며, 일반적인 케플러 별의 경우 약 10⁻² 광자 m⁻² s⁻¹, 태양형 별의 경우 100 광년 이내에서는 1 광자 m⁻² s⁻¹의 감지 임계값을 설정하였다. 이는 현재의 방법으로 100 광년 거리에서 90 W 이상, 1,000 광년 거리에서 1 kW 이상의 레이저가 감지 가능함을 시사한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 외계행성 시스템을 공유하는 별들로부터 인공 레이저 전파를 나타내는 좁고 단색의 광학 방출선을 탐색하기 위함.
• 광자 통계와 산산이 흩어진 빛의 제한 조건을 고려하여 외계 레이저 신호의 감지 가능성 평가하기.
• 분산 한계가 있는 빛 레이저 전파의 거리에 따른 감지 임계값 설정하기.
• 목표 별에서 수십에서 수백 AU 거리에 위치한 기술적 구조물로부터의 레이저 방출 신호 탐색 가능성 탐색하기.
• 고도가 높은 문명이 간행성 통신을 위해 광학 레이저를 사용할 수 있다는 가설을 검증함으로써 보다 넓은 SETI 노력에 기여하기.

제안 방법

• Keck HIRES 기구를 사용하여 고해상도 분광법(λ/Δλ = 60,000)을 적용하여 3,640–7,890 Å 범위의 항성 빛을 분석하였다.
• 목표 별에서 2–7 arcsec 정도 떨어진 곳에 위치한 매우 좁은 방출선(단색)을 검색하였으며, 이는 항성 빛이 지배적이지 않은 영역이기 때문이다.
• 포isson 광자 통계와 산산이 흩어진 빛을 고려하여 감지 임계값을 계산하였으며, 일반적인 케플러 별의 경우 약 10⁻² 광자 m⁻² s⁻¹의 방출량 한계를 도출하였다.
• 거리에 따른 감지 가능한 레이저 출력을 모델링하여, 10m 지름의 광학 망원경을 사용할 경우 100 광년 거리에서 90 W 레이저, 1,000 광년 거리에서 1 kW 레이저가 감지 가능하다고 나타내었다.
• 공간적 분리(2–7 arcsec)를 활용하여 항성 오염을 피하였으며, 이는 근접한 별들에서 10–100 AU, 케플러 별들에서 2,000–7,000 AU 거리에 위치한 레이저를 효과적으로 탐색할 수 있음을 의미한다.
• 향후 연구에서 2 arcsec 이내의 내부 작동 각도 내에서의 레이저 탐색을 계획하였으며, 이 경우 감지 민감도가 약 100배 감소할 것으로 예상된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외계행성 시스템을 공유하는 별들로부터 좁고 단색의 광학 방출선을 탐지할 수 있는가? 이는 인공 레이저 전파를 시사하는가?
• RQ2 현재의 고해상도 분광법을 사용할 경우, 지구에서 다양한 거리에 있는 레이저의 최소 감지 가능한 출력은 얼마인가?
• RQ3 별에서의 각도 분리(2–7 arcsec)는 항성 오염을 피함으로써 레이저 신호 감지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 100 광년과 1,000 광년 거리에서 분산 한계가 있는 레이저를 감지하기 위한 방출량과 출력의 임계값은 무엇인가?
• RQ5 기존의 분광학적 설문조사인 슬론 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey)를 레이저 신호 탐색에 재사용할 수 있는가? 그 경우의 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 1,368개의 케플러 목표물이 포함된 총 2,796개의 목표 별들에서 어떤 레이저 방출 신호도 검출되지 않았다.
• 일반적인 케플러 별의 경우 레이저 방출량 감지 임계값은 약 10⁻² 광자 m⁻² s⁻¹이며, 100 광년 이내의 태양형 별의 경우 1 광자 m⁻² s⁻¹이다.
• 분산 한계가 있는 레이저 중 100 광년 거리에서 90 W 이상, 1,000 광년 거리에서 1 kW 이상의 출력을 가진 레이저는 현재의 방법으로 감지 가능하다.
• 근접한 별들에서 60–200 AU, 케플러 별들에서 2,000–7,000 AU 거리에 위치한 레이저는 현재의 장비로 감지 가능하다.
• 2–3 arcsec의 내부 작동 각도는 레이저가 적어도 근접한 별들에서 10–100 AU 이상 떨어져 있을 경우에만 감지 가능하며, 1 AU 거리에 있는 (예: 지구 유사 행성) 레이저는 제외된다.
• 향후 2 arcsec 이내의 내부 작동 각도에서의 탐색은 항성 빛으로 인한 광자 노이즈 증가로 인해 약 100배 높은 방출량 임계값이 필요로 한다.