Quando você emite o sinal de rádio, ele começa a se mover na velocidade da luz. O feixe de rádio está difundindo a cada quilômetro percorrido pelo sinal. Para o receptor próximo, o sinal é forte. Mas se o receptor estiver longe, o sinal ficará cada vez mais fraco até se tornar um ruído. Portanto, a pergunta é: o mesmo acontece no espaço profundo e que sinal de rádio à distância (ou qualquer frequência de onda eletromagnética) poderia viajar até se tornar ruído?
O sinal de rádio decai quando viaja pelo espaço intergaláctico?
Respostas:
A primeira coisa a considerar é que a área de um feixe, a longas distâncias, se difunde. A melhor situação que podemos esperar é um sistema limitado por difração, onde essa difusão é minimizada, maximizando assim o sinal recebido. Ou seja, em teoria, temos um feixe de transmissão perfeitamente colimado que não diverge nem converge.
Na prática, ainda estamos limitados pela difração. Um sistema limitado por difração é descrito pela fórmula
Geralmente pensamos que a difração é aplicável em termos de recebimento de um sinal - por exemplo, um telescópio espacial geralmente possui um sistema óptico limitado por difração. No entanto, as mesmas leis são verdadeiras se estamos recebendo ou enviando um sinal. O caminho óptico é o mesmo. Tudo é apenas o contrário!
Nota lateral: se projetássemos uma imagem no espaço , para resolver de maneira aceitável a imagem, um receptor precisaria ter uma resolução angular igual ou maior que a projeção. Isso inclui um critério de resolução espacial, além do desempenho sinal-ruído discutido abaixo.
Para dar um exemplo da vida real, vamos considerar um sinal de rádio. Como um receptor distante receberá um sinal modulado em frequência, diferente do rádio FM, não estamos preocupados com a resolução angular. Não nos importamos se a "imagem" está desfocada, ou mesmo se algumas áreas do feixe originalmente transmitido não atendem totalmente ao nosso receptor. Estamos preocupados com a modulação da frequência ao longo do tempo - é um sinal unidimensional.
Nesse caso, um receptor é um sistema com ruído limitado. Este relatório da NASA descreve algumas das limitações que uma implementação realista da comunicação interestelar deve lidar. Mesmo no caso de um sistema quântico limitado por ruído, ainda podemos tirar o melhor proveito das limitações que nos são impostas.
Se a relação sinal / ruído estiver acima de um limite aceitável, o sinal será bem recebido. Há tantos fatores a considerar que realmente apenas uma estimativa de ordem de magnitude é viável. Não sei o suficiente para chegar a uma boa estimativa dos níveis de ruído de um sistema específico.
O Projeto Cyclops (1971) foi a investigação inicial sobre a viabilidade de uma busca por inteligência extraterrestre. Por exemplo, na página 41, podemos ver que a temperatura mínima de ruído de um receptor que recebe a mensagem Arecibo de 2,4 GHz é de cerca de 4K - o principal contribuinte para o ruído aqui é o CMB. Frequências dessa ordem de magnitude geralmente proporcionam o melhor desempenho possível de ruído - muito alto e o ruído quântico e os efeitos atmosféricos se tornam significativos. Muito baixo e o ruído galáctico assume o controle.
Essa temperatura de ruído fornece um piso de ruído para o sinal. O receptor geralmente introduz uma temperatura significativa de ruído no grau de algumas dezenas ou centenas de Kelvin; portanto, quaisquer limitações práticas na comunicação interestelar tendem a se tornar uma função do nosso equipamento.
Embora a mensagem de Arecibo tenha sido transmitida com uma boa frequência, para modulação de amplitude de comunicação de longa distância é superior à modulação de frequência, pois é fácil aumentar a duração e o intervalo do pulso para compensar uma intensidade de sinal mais fraca.
A construção de transmissores e receptores maiores aumentará a distância máxima de comunicações. O mesmo acontece com o aumento da potência de transmissão, duração do pulso e intervalo de pulso. A tecnologia atual pode nos comunicar por dezenas ou centenas de anos-luz. Para se comunicar ainda mais, basta criar algo maior . As leis da física impõem poucos limites à distância que podemos comunicar.
Toda radiação eletromagnética de uma fonte pontual - que é um transmissor de rádio normal - se propaga de acordo com a lei do quadrado inverso, o que significa que a intensidade do sinal é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Isso acontece na Terra e no espaço profundo igualmente.
Portanto, isso significa que, para qualquer sinal, haverá uma distância na qual ele se tornará indistinguível do ruído de fundo do universo. No entanto, essa distância dependerá da força inicial do sinal.