[论文解读] Constraints on extragalactic transmitters via Breakthrough Listen

M. A. Garrett, A. Siemion|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2022

Space Science and Extraterrestrial Life被引用 4

一句话总结

本文表明，突破聆听（Breakthrough Listen）对邻近恒星的射电巡天也通过偶然观测到遥远星系、星系群和活动星系核，从而对河外发射源施加了约束。通过对469个天区的分析，其对强大地外发射源的限制比以往认识得更严格，将搜寻地外文明（SETI）的探测范围延伸至遥远宇宙，并为未来巡天识别出一个新的‘未知领域’（terra incognita）。

ABSTRACT

The Breakthrough Listen Initiative has embarked on a comprehensive SETI survey of nearby stars in the Milky Way that is vastly superior to previous efforts as measured by a wide range of different metrics. SETI surveys traditionally ignore the fact that they are sensitive to many background objects, in addition to the foreground target star. In order to better appreciate and exploit the presence of extragalactic objects in the field of view, the Aladin sky atlas and NED were employed to make a rudimentary census of extragalactic objects that were serendipitously observed with the 100-m Greenbank telescope observing at 1.1-1.9 GHz. For 469 target fields (assuming a FWHM radial field-of-view of 4.2 arcminutes), NED identified a grand total of 143024 extragalactic objects, including various astrophysical exotica e.g. AGN of various types, radio galaxies, interacting galaxies, and one confirmed gravitational lens system. Several nearby galaxies, galaxy groups and galaxy clusters are identified, permitting the parameter space probed by SETI surveys to be significantly extended. Constraints are placed on the luminosity function of potential extraterrestrial transmitters assuming it follows a simple power law and limits on the prevalence of very powerful extraterrestrial transmitters associated with these vast stellar systems are also determined. It is demonstrated that the recent Breakthrough Listen Initiative, and indeed many previous SETI radio surveys, place stronger limits on the prevalence of extraterrestrial intelligence in the distant Universe than is often fully appreciated.

研究动机与目标

• 评估在突破聆听对邻近恒星的定向搜索过程中，对河外源的偶然探测情况。
• 量化绿岸望远镜视场内河外天体（如活动星系核、射电星系、星系团）的数量与类型。
• 通过限制遥远恒星系统中假设的地外发射源的光度函数，拓展搜寻地外文明（SETI）的参数空间。
• 评估当前搜寻地外文明（SETI）巡天对大质量河外系统中极为强大但稀有的发射源的敏感度。
• 为未来搜寻地外文明（SETI）巡天识别新的观测策略，例如对星系群进行深度、大视场的观测，以探索此前未被探索的参数空间。

提出的方法

• 利用Aladin天图和NASA/IPAC河外星系数据库（NED），识别突破聆听观测中4.2角分半高全宽（FWHM）波束内的河外源。
• 在469个目标天区中编目了143,024个河外天体，包括活动星系核、射电星系、相互作用系统以及一个已确认的引力透镜。
• 评估突破聆听对来自这些遥远系统的连续波发射源的敏感度，假设其光度函数呈幂律分布。
• 基于巡天敏感度和源距离，计算发射源的最小有效各向同性辐射功率（EIRP）限制。
• 将本研究的约束与先前研究（如Wlodarczyk-Sroka等，2020年）进行比较，定义出搜寻地外文明（SETI）未来巡天应关注的新参数空间区域——‘未知领域’（terra incognita）。
• 评估本森等（Benford等，2010年）提出的相控阵技术在实现高达约10^20 W的EIRP发射源方面的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在突破聆听对邻近恒星的定向搜索过程中，其视场内偶然观测到多少河外源？
• RQ2 当前搜寻地外文明（SETI）巡天在多大程度上限制了遥远星系和星系群中强大连续波发射源的存在？
• RQ3 在假设光度函数为幂律分布的前提下，基于对背景河外天体系统的观测，地外发射源的光度函数限制是什么？
• RQ4 本研究的约束与以往搜寻地外文明（SETI）巡天相比如何，特别是在EIRP和发射速率方面？
• RQ5 可以推导出哪些新的观测策略，以探索发射源稀少但极为强大的‘未知领域’参数空间？

主要发现

• 突破聆听对469个目标天区的观测偶然探测到143,024个河外天体，包括14,000多个活动星系核，以及多个星系群和星系团。
• 由于对遥远大质量恒星系统的敏感性，本研究对极为强大地外发射源（EIRP > 10^20 W）的普遍性施加了比以往认识更强的限制。
• 约束范围延伸至距离达30 Mpc的源，包括邻近星系NGC 7714/NGC 7715和3C402星系群。
• 本研究在EIRP-发射速率平面上识别出一个新的‘未知领域’区域，其特征为更低的发射速率和更高的EIRP，未来巡天应优先关注该区域。
• 分析证实，使用大口径单镜面望远镜的搜寻地外文明（SETI）巡天对遥远星系中的发射源具有敏感度，显著扩展了已探索的参数空间。
• 结果表明，未来巡天应优先开展深度、长时间积分观测，并对星系群和星系团进行大视场观测，以提高对稀有、高功率发射源的探测敏感度。