[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用凯克望远镜的高分辨率光谱仪（λ/Δλ = 60,000）对2,796颗恒星（包括1,368颗开普勒系系外行星宿主恒星）进行了窄带光学激光辐射的搜寻。未检测到任何激光信号，设定了典型开普勒恒星的探测阈值约为10⁻²光子 m⁻² s⁻¹，而距离地球100光年以内的类太阳恒星的探测阈值为1光子 m⁻² s⁻¹，表明当前方法可探测到距离100光年处超过90 W的激光，或距离1,000光年处超过1 kW的激光。

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).

研究动机与目标

• 搜寻宿主系外行星的恒星中可能指示人工激光信号的窄带、单色光学发射线。
• 基于光子统计与杂散光限制，评估地外激光信号的可探测性。
• 在考虑衍射受限光束传播的前提下，建立不同距离下激光功率的探测阈值。
• 探讨探测距离目标恒星数十至数百AU处技术构造所发出的激光辐射的可行性。
• 通过检验先进文明可能使用光学激光进行星际通信的假设，为更广泛的搜寻地外文明（SETI）工作做出贡献。

提出的方法

• 利用凯克HIRES仪器的高分辨率光谱仪（λ/Δλ = 60,000）对3,640–7,890 Å波段的恒星光进行分析。
• 在目标恒星偏移2–7角秒的位置搜寻极窄的发射线（单色），以避免恒星光主导。
• 基于泊松光子统计与杂散光分析，计算探测阈值，得出典型开普勒恒星的通量极限约为10⁻²光子 m⁻² s⁻¹。
• 建模激光功率随距离的变化关系，表明使用10米口径望远镜，100光年外90 W的激光和1,000光年外1 kW的激光均可被探测到。
• 利用2–7角秒的空间分离避免恒星污染，有效探测距离附近恒星10–100 AU和开普勒恒星2,000–7,000 AU处的激光信号。
• 计划在后续研究中对2角秒内工作角范围内的激光进行搜寻，但探测灵敏度将因恒星光子噪声增加约100倍而降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在宿主系外行星的恒星中探测到窄带、单色的光学发射线，以指示人工激光信号？
• RQ2 使用当前高分辨率光谱仪，不同距离下可探测到的最小激光功率是多少？
• RQ3 与恒星的角距离（2–7角秒）如何影响激光信号的可探测性，从而避免恒星污染？
• RQ4 在100光年和1,000光年距离下，探测衍射受限激光的通量与功率阈值分别是多少？
• RQ5 现有的光谱巡天项目（如斯隆数字巡天）能否被重新用于激光信号搜寻？其存在哪些限制？

主要发现

• 在2,796颗目标恒星（包括1,368颗开普勒天体兴趣点）中均未探测到激光辐射信号。
• 典型开普勒恒星的激光通量探测阈值约为10⁻²光子 m⁻² s⁻¹，而距离地球100光年以内的类太阳恒星为1光子 m⁻² s⁻¹。
• 功率超过90 W的衍射受限激光可在100光年外被探测到，而功率超过1 kW的激光可在1,000光年外被探测到。
• 位于距离附近恒星60–200 AU和开普勒恒星2,000–7,000 AU处的激光可被当前仪器探测到。
• 2–3角秒的内工作角限制了探测范围，仅能探测到距离附近恒星至少10–100 AU的激光，排除了位于1 AU处（如地球类行星）的激光信号。
• 未来在2角秒内工作角范围内的激光搜寻将因恒星光子噪声增加约100倍，导致通量阈值提高约100倍。