AstroPulse: Rekonstrukce mimozemského signálu

Hledání krátkého širokopásmového signálu je od hledání tradičního signálu v úzkém frekvenčním pásmu naprosto odlišné. Tradiční výzkum SETI@home prohledává rádiové vlny okolo frekvence vodíku, v rozmezí 1418.75 MHz až 1421.25 MHz. Program ale nezkoumá celé 2,5 MHz (dva a půl miliónu Hertzů) široké pásmo najednou, jelikož by jednotky měly extrémní velikost (v DC měřítku) a délka výpočtu by byla v tisících hodin. Místo toho dochází k rozdělení dat do segmentů po 0,07 Hertzu (cca 35 milionů segmentů). Průzkum pásma v rozmezí 1.25MHz v obou směrech od frekvence vodíku (1420 MHz) je velmi důležitý kvůli kompenzaci Dopplerova jevu, jelikož nevíme, k jak velkému došlo posuvu způsobenému relativním pohybem Země a místa vysílání.

Projekt AstroPulse provádí průzkum ve stejné oblasti 2,5 MHz okolo frekvence vodíku, ale nemusí řešit kompenzaci Dopplerova jevu. To by bylo zbytečné, jelikož AstroPulse hledá signál, který pokryje celou šířku 2,5 MHz. Jakákoli korekce pro eliminaci Dopplerova jevu je tedy oproti klasickému Seti@home zbytečná.

Ačkoliv se AstroPulse nemusí zabývat Dopplerovým jevem, musí se věnovat jinému problému, který u tradičního SETI@home nevzniká. Elektromagnetické vlny (včetně rádiových signálů), cestují vesmírným prostorem v závislosti na jejich frekvenci poněkud odlišnou rychlostí. U světelných vln známe tento jev jako „lom světla“, tedy efekt, který vzniká na rozhraní dvou prostředí (známá je tyč ponořená v šikmém směru z části do vody). Je to způsobeno tím, že různé barvy reprezentující různé vlnové délky procházejí médiem různou rychlostí.
Na první pohled by se mohlo zdát, že tento jev může mimozemské vysílání jen stěží ovlivnit. Je to tím, že ve srovnání s naším hustým pozemským prostředím vypadá mezihvězdný prostor prázdný. Ve skutečnosti má ale do vakua velmi daleko. Je vyplněn různou koncentrací volných atomů vodíku, které jsou složeny z jednoho protonu a jednoho elektronu. U mnoha z nich se proton a elektron oddělily, což vedlo ke vzniku volných nabitých částic zvaných ionty. Všechno dohromady, atomy, ionty a volné elektrony, formují „mezihvězdné prostředí“, přes které musí rádiový signál projít.
Dokud se nacházíme v oblasti tradiční projektu SETI@home, nevzniká žádný problém, protože je celé hledání zaměřeno na signál v úzkém frekvenčním pásmu, který putuje jako velmi silný celek stejnou rychlostí a dorazí na Zemi ve stejnou dobu v podobě jednoho koherentního spektra. AstroPulse hledá ale širokopásmové vysílání, které se rozprostírá v celém námi zkoumaném pásmu širokém 2,5 MHz. Takovýto širokopásmový signál by byl shlukem mnoha úzkých frekvenčních pásů vyslaných na sousedních frekvencích v jeden okamžik jako silný celek, ale kvůli rozdílné rychlosti, kterou tyto různé frekvence vesmírem cestují, by dorazily vysokofrekvenční části signálu na Zemi před nízkofrekvenčními. To znamená, že širokopásmový puls, který byl v době vyslání koherentní, by byl při svém zachycení na Zemi rozmazán přes časový úsek několika milisekund. Jednotlivé dílky by byly natolik slabé, že by se snadno ztratily v šumu vesmírného pozadí a nedošlo by k jejich odhalení.

Prvním úkolem projektu AstroPulse je tedy minimalizovat tento negativní efekt a zrekonstruovat původní silný signál. Pro tento účel využívá AstroPulse algoritmus rychlé Fourierovy transformace (FFT), tedy stejný, který využívá tradiční SETI@home. Pomocí FFT se opět rozdělí surová data do malých segmentů, ovšem u AstroPulse dojde poté k opětovnému spojení s jinými segmenty ve zpětné časové línii. Segment obsahující nejdelší vlnové délky je spojen se segmentem s o trochu kratší vlnovou délkou, který byl zaznamenán těsně předtím a tento proces pokračuje, dokud není přidán kousek s nejkratší vlnovou délkou, který dorazil nejdříve. Pokud by byl opravdu odeslán silný širokopásmový signál, potom by jej tato metoda měla zrekonstruovat a odhalit.
Má to ale jeden dost závažný nedostatek. Abychom mohli správně zrekonstruovat signál, musíme znát přesnou velikost časové prodlevy mezi nejvyššími a nejnižšími frekvencemi. Pokud je například skutečný rozdíl 4 milisekundy (ms), ale AstroPulse zkombinuje nejvyšší a nejnižší frekvenční kousky s časovým odstupem jen 1 ms, neobjeví se žádný signál.
Jediná cesta jak správně zrekonstruovat širokopásmový signál je skládání segmentů ve správném časovém odstupu. Tento rozdíl závisí na vzdálenosti, kterou signál procestoval mezihvězdným prostorem: čím delší byla vzdálenost, tím větší časová prodleva. Naneštěstí vůbec nevíme, kde by se mohla mimozemská civilizace nacházet a jakou vzdálenost tedy musí jejich signál urazit. Když neznáme vzdálenost, neznáme časovou prodlevu a nemůžeme tedy ani zrekonstruovat mimozemský přenos.
AstroPulse se tento problém snaží vyřešit testováním celé řady časových prodlev. U každé pracovní jednotky tedy AstroPulse skládá malé segmenty v určitém časovém intervalu a dívá se po širokopásmovém signálu. Nejkratší časová prodleva, kterou program testuje je 0,4 ms a nejdelší 4 ms. Mezi těmito extrémy projde AstroPulse každou jednotku asi 15000 krát!

Jak dlouhý by mohl být vyslaný signál?

Zpracovat tolikrát každý kousek dat bude vyžadovat obrovské množství výpočetního výkonu, který by byl pro většinu vědeckých projektů nepřekonatelnou překážkou. Ovšem pro projekt SETI@home, kterému každý den poskytují dobrovolníci z celého světa výpočetní čas miliónů počítačů, je tento výpočet reálný i s potřebnou přesností. Ovšem ani to by nemuselo být dostatečné k nalezení vyslaného širokopásmového signálu, pokud nevíme, jak byl dlouhý.

Předpokládejme kupříkladu, že mimozemšťané poslali signál dlouhý 10 mikrosekund (μs), ale my hledáme signály dlouhé 1 μs. V takovém případě by se nám nepodařilo složit všechny potřebné části signálu a při zpracování by pravděpodobně nebyl signál odhalen jako mimozemský. Bohužel toto platí i opačně, tedy pokud hledáme relativně dlouhý signál a ve skutečnosti bude trvat jen zlomek času, je pravděpodobné, že zmizí v šumu vesmírného pozadí. Z toho vyplývá, že pokud chceme v datech skutečně signál najít, musíme hledat přesně takový, který má alespoň přibližně jeho skutečnou délku.
Naneštěstí stejně jako nevíme, jakou vzdálenost musí signál urazit, nemáme ani možnost zjistit, jakou by měl mít délku. I tento problémový faktor lze sice eliminovat, bohužel ale opět za cenu několikanásobného zvýšení množství výpočtů. AstroPulse musí vyzkoušet celkem 10 časových intervalů. Nejkratší hledaný puls má délku 0,4μs a každý další dvojnásobek předešlého, tedy 0,4μs, 0,8μs, 1,6μs, 3,2μs atd.. AstroPulse musí každou poskládanou jednotku prověřit pro všech 10 časových intervalů. Každá jednotka je tedy ve finále zpracována 150.000 krát, což je obrovské množství práce. Obzvláště, když si představíme, že k aktuálně snímaným datům z radioteleskopu je třeba ještě přičíst nové zpracování všech do této doby archivovaných záznamů projektu touto metodou.