[논문 리뷰] Cost Optimized Interstellar Beacons: SETI

Gregory Benford, James Benford외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 10. 22.

Space Science and Extraterrestrial Life참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 목표로 하는 효과적 등방성 방사전력(EIRP)을 달성하기 위해 자본 비용을 최소화함으로써 은하계 규모의 간섭성 빛나는 신호기의 비용 최적 설계를 규명한다. 그 결과, 송신기 전력 비용과 안테나 면적 비용이 동일하게 배분될 때 비용이 최소가 된다는 것을 보여주며, 이러한 빛나는 신호기는 >1 GW의 방사 전력과 >km²의 안테나 면적을 필요로 하며, 약 10 GHz에서 작동하고 좁고 고이득의 빔을 형성하며, 은하수의 나선다리 방향으로 전송될 가능성이 높다.

ABSTRACT

This paper considers galactic scale Beacons from the point of view of expense to a builder on Earth. For fixed power density in the far field, what is the cost-optimum interstellar Beacon system? Experience shows an optimum tradeoff, depending on transmission frequency and on antenna size and power. This emerges by minimizing the cost of producing a desired effective isotropic radiated power, which in turn determines the maximum range of detectability of a transmitted signal. We derive general relations for cost-optimal aperture and power. For linear dependence of capital cost on transmitter power and antenna area, minimum capital cost occurs when the cost is equally divided between antenna gain and radiated power. For non-linear power law dependence a similar simple division occurs. This is validated in cost data for many systems; industry uses this cost optimum as a rule-of-thumb. Costs of pulsed cost-efficient transmitters are estimated from these relations using current cost parameters ($/W, $/m2) as a basis. Galactic-scale Beacons demand effective isotropic radiated power >1017 W, emitted powers are >1 GW, with antenna areas > km2. We show the scaling and give examples of such Beacons. Thrifty beacon systems would be large and costly, have narrow searchlight beams and short dwell times when the Beacon would be seen by an alien oberver at target areas in the sky. They may revisit an area infrequently and will likely transmit at higher microwave frequencies, ~10 GHz. The natural corridor to broadcast is along the galactic spiral radius or along the spiral galactic arm we are in. Our second paper argues that nearly all SETI searches to date had little chance of seeing such Beacons.

연구 동기 및 목표

• 은하계 규모의 통신을 위한 간섭성 빛나는 신호기의 비용 최적 구성 요건을 규명하기 위해.
• 고정된 원거리 전력 밀도를 위한 송신기 전력과 안테나 크기 간의 상호 교환 관계를 규명하여 자본 비용을 최소화하기 위해.
• 은하수 전역에서 감지 가능한 간섭성 빛나는 신호기의 물리적 및 경제적 매개변수를 추정하기 위해.
• 현재 SETI 탐색 전략를 고려할 때 이러한 빛나는 신호기의 실현 가능성과 감지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 목표로 하는 효과적 등방성 방사전력(EIRP)을 달성하기 위해 송신기 전력과 안테나 면적 간의 상호 교환 관계를 최적화함으로써 자본 비용을 최소화한다.
• 전력과 야생 면적에 대한 선형 및 비선형 거듭제곱 법칙 의존성에 기반한 비용 모델을 적용하여 일반적인 비용 최적 관계를 유도한다.
• 현재의 비용 파rameter($/W 전력, $/m² 안테나 면적)를 사용하여 맥박형 고효율 송신기의 비용을 추정한다.
• 은하계 규모의 감지 가능성을 위한 EIRP 요구 조건에 기반한 야생 면적과 방사 전력의 척도 법칙을 유도한다.
• 빈도가 좁고 도착 시간이 짧은 빔 특성과 같은 요소를 분석하여 외계 관측자에게 노출될 가능성을 평가한다.
• 은하수 나선다리 또는 지역 은하수 빔을 따라 자연스러운 전송 통로로 간주되는 방향이 가장 가능성이 높은 빛나는 신호기 전송 방향으로 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 EIRP를 가진 은하계 규모의 빛나는 신호기에서 송신기 전력과 안테나 크기 간의 비용 최적 균형은 무엇인가요?
• RQ2 전력과 안테나 면적의 비용 구조가 감지 가능한 빛나는 신호기의 최소 달성 자본 비용에 미치는 영향은 무엇인가요?
• RQ3 EIRP가 10^17 W를 초과하는 데 필요한 전력 수준과 야생 면적은 무엇인가요?
• RQ4 왜 현재의 SETI 탐색은 이러한 비용 최적화된 빛나는 신호기를 거의 감지하지 못할 가능성이 높은가요?
• RQ5 은하 구조를 바탕으로 이러한 빛나는 신호기는 하늘의 어디에서 가장 가능성이 높게 전송될까요?

주요 결과

• 주어진 EIRP에 대해 자본 비용을 최소화하는 조건은 선형 또는 비선형 비용 의존성 여부에 관계없이 송신기 전력 비용과 안테나 면적 비용이 동일하게 배분될 때 발생한다.
• 은하계 규모의 빛나는 신호기는 효과적 등방성 방사전력이 10^17 W를 초과해야 하며, 이는 1 GW 이상의 방사 전력과 1 km² 이상의 안테나 면적을 필요로 한다.
• 비용 최적화된 빛나는 신호기는 마이크로파 대역에서 약 10 GHz에서 작동하며, 좁고 고이득의 빔을 형성하고, 특정 대상 영역에 대해 짧은 도착 시간을 갖는다.
• 이러한 빛나는 신호기는 은하수 나선다리 또는 지역 은하수 빔을 따라 전송될 가능성이 높으며, 은하계 간 통신을 위한 자연스러운 통로를 형성한다.
• 현재의 SETI 설문 조사에서는 좁은 빔, 낮은 재방문 빈도, 고주파 작동으로 인해 이러한 빛나는 신호기를 감지할 가능성이 낮다.
• 비용 최적화 원리는 산업 관행과 일치하여, 다양한 시스템의 실제 비용 데이터를 기반으로 모델을 검증한다.