¿Qué tan poderoso debería ser un láser para enviar una señal a otro sistema estelar? ¿Cómo se puede calcular la trayectoria si todo se mueve constantemente?

Lo que quieres es un SPAD: diodo de avalancha de fotón único

Los SPAD son impresionantes, porque pueden marcar la llegada de un fotón con precisión a decenas de picosegundos. Esto es un gran problema, porque significa que podemos codificar datos en el tiempo de llegada entre fotones.

Así es como funciona: utiliza un láser que dispara pulsos de luz muy breves. Podría, por ejemplo, tener una frecuencia de pulso de 1 millón de hercios, con una duración de pulso de 100 picosegundos. El tiempo entre pulsos promedia 1000 nanosegundos, pero lo varía entre 500 y 1500 nanosegundos. Cada retraso codificó 10 bits, lo que significa que al recibirlo debe medir el retraso con precisión a 100 ps.

Puede transmitir con tan poca potencia o en un rango tan grande que el número esperado de fotones recibidos por pulso es, digamos, 1. Tenemos una probabilidad del 50% de recibir cero fotones en cada pulso. La posibilidad es en realidad diferente al 50% debido a la distribución del ruido de disparo, pero no lo suficiente como para cambiar mi punto.

Luego usamos un código Turbo o un código de verificación de paridad de baja densidad para codificar datos utilizando, por ejemplo, 2,5 veces más bits que datos. La tasa de bits comunicada promedio es de 4 bits por fotón. Pero eso supone que no hay ruido de fondo, que no es el caso de un láser con el sol detrás de él.

Supongamos que usamos un láser de 355 nm (ultravioleta) para esta transmisión. Debido a que la duración de nuestro pulso es 1/1000 del tiempo entre pulsos, el láser tendrá un ancho de línea de 0.35 nm. Dentro de esa banda, el sol tiene un resplandor de 1.2e22 fotones / seg / m ^ 2 / esteradiano o 1.1e41 fotones / seg (en todas las direcciones).

Eso es mucho para competir. Digamos que transmitimos desde un espejo de 12 metros de diámetro, por lo que nuestra cintura de haz gaussiano tiene 10 metros de diámetro. Una vez que tengamos una salida justa, el haz será un cono de 1.3e-16 esteradianos. El sol empujará 1.1e24 fotones / seg por el mismo cono, en la misma banda. Esos fotones son 5.6e-19 julios cada uno, así que eso es 630 kilovatios.

Para transmitir al menos tanta potencia como el sol, tendremos que impulsar 630 kilovatios de potencia nosotros mismos. Eso es mucho, pero es posible. Las máquinas de corte láser comerciales tienen una potencia óptica continua de 2 kilovatios. Supongo que tengo el tamaño del espejo un poco pequeño.

En el extremo receptor, a 100 años luz de distancia, el radio del tamaño del punto será de 21 millones de km. Una apertura de 40 metros capturará 1 millón de fotones / segundo en esa banda de onda del sol, y si estamos transmitiendo la misma potencia y el mismo número de fotones de señal. Eso es 1 fotón de señal por pulso, como se suponía inicialmente.

No he hecho los cálculos, pero supongo que si se transmite la misma cantidad de fotones que el sol, la velocidad de datos efectiva caerá a 2 bits por fotón. Eso significa que este sistema de transmisión sería de 2 megabits por segundo, que es un poco más lento que mi conexión de banda ancha en casa. La latencia sería peor, por supuesto.

Puede haber algún tipo de mecanismo de pérdida en distancias realmente grandes que no estoy incluyendo aquí (¿coherencia temporal?) Si no, la comunicación interestelar parece estar al alcance de nuestra base tecnológica existente, pero es realmente costosa.

Estás haciendo dos preguntas aquí:
¿Qué tan poderoso debe ser un láser para ser detectado a cientos de años luz de distancia?
¿Cómo apuntarías a un láser así, dado el movimiento de las estrellas?

Óptimamente, harías dos preguntas sobre Quora para esto, pero entretendré la primera.

Para ser visible a grandes distancias, la luz debe ser un porcentaje significativo de la luz total que llega a esa ubicación distante. Esto sería bastante fácil si pudiéramos hacer láseres con una columna perfecta. Pero los límites matemáticos hacen esto imposible. Un muy buen rayo láser de la Tierra se extiende a lo largo de 6 km cuando llega a la luna (aunque esto también está atravesando nuestra atmósfera).

Esto significa un láser con una potencia que es un porcentaje significativo de la potencia emitida por la superficie del sol. La luz solar en la Tierra es de aproximadamente 1366 vatios por metro cuadrado. Por lo tanto, si su láser estuviera bien dirigido, no necesitaría ser ridículamente potente para igualar el mismo grado de radiación solar. Aún así, tenemos algunos láseres potentes para trabajar (el láser más potente del mundo dispara la explosión láser más potente de la historia).

Ya hemos rebotado láseres de la Tierra a la Luna y viceversa (experimento de Rango de Láser Lunar), alcanzando un objetivo de 1 m. Dado el globo giratorio, la tectónica, las mareas y los efectos atmosféricos, ya es bastante difícil apuntar tan lejos. Pero una estrella en movimiento no debería ser más difícil de calcular.

Esto resultó ser una pregunta alucinante difícil de investigar. Lo mejor que pude encontrar en términos simples es la transmisión de datos a / desde Alpha Centauri, desde “Proyecto de largo alcance, una sonda interestelar no tripulada a Alpha Centauri:”

Los principales desafíos para el sistema de comunicaciones de la sonda interestelar ocurren cuando la sonda ingresa al sistema objetivo en un rango de 4.3 años luz, o 4.109 x 10 ^ 16 metros. Este es el rango máximo de transmisión; se debe mantener una velocidad de datos bastante alta, ya que toda la instrumentación de la sonda está devolviendo datos. El único tipo de sistema de comunicaciones capaz de la directividad y velocidad de datos necesarias es un láser de alta potencia que utiliza modulación de código de pulso (PCM).

El bajo ruido de fondo del sistema de destino es necesario para un bajo nivel de potencia, por lo que se eligió una longitud de onda láser de 0.532 micras. La radiación de esta longitud de onda es absorbida casi totalmente por las atmósferas externas de las estrellas de tipo K y G, dejando un agujero en el espectro de absorción (sin radiación transmitida). La radiación láser de esta longitud de onda puede ser producida por un láser YAg bombeado por diodos con frecuencia duplicada con un accesorio óptico para proporcionar una gran apertura inicial.

La apertura del transmisor es de 2 metros de diámetro con espejos receptores de 24 metros de diámetro. El ángulo de dispersión es 1.22 * lambda dividido por el diámetro de apertura, o 3.25 x 10 ^ -7 radianes (0.67 segundos de arco). A 4,34 años luz, la expansión da como resultado un radio de huella de 13,4 millones de kilómetros, el 8,9% de una Unidad Astronómica (UA). Tanto la precisión de puntería del montaje láser como la capacidad de determinación de actitud de la sonda deben estar dentro de 0.067 segundos de arco, por lo que se utilizarán monturas láser de muy bajo error y rastreadores de estrellas.

Se necesita una potencia de entrada total de 250 kilovatios para cada láser que está transmitiendo. Con una suposición de una eficiencia láser del 20%, la potencia transmitida es de 50 kilovatios. Si la potencia se distribuye isotrópicamente sobre un área de 5,64 x 10 ^ 20 metros cuadrados (el área subtendida por el láser bean cuando llegó a la Tierra), la densidad de potencia es de 8,87 x 10 ^ -17 vatios por metro cuadrado, o 222 fotones por metro cuadrado por segundo. Para un espejo receptor de radio de 12 metros (área de 452.4 metros cuadrados), el nivel de potencia recibido es 4.01 x 10 ^ -14 vatios, o 100,000 fotones por segundo. Usando la suposición de que un pulso digital ‘en’ nivel es de 100 fotones, el receptor ve 1000 pulsos por segundo. Una velocidad de datos de 1000 bits por segundo es baja. Tenga en cuenta que esta velocidad es la mínima porque el transmisor estaría en el rango máximo. Si se utilizan láseres extremadamente confiables, cada transmisor puede funcionar a una longitud de onda ligeramente diferente, por lo que la velocidad de datos sería hasta seis veces mayor dependiendo del número de láseres utilizados.

Obviamente, hay mucho más que considerar, incluida la máxima eficiencia de los fotones, por ejemplo, y la máxima eficiencia de la materia para la transmisión de información (ver, 24.0 – Técnicas de comunicación interestelar), así como algunos avances tecnológicos previsibles (estos incluyen alta potencia ” “láseres de fibra de bombeo de diodo eficientes”; elementos de dirección de haz microelectromecánicos (MEM) compactos, livianos y de baja potencia; y óptica de cuasi-membrana difractiva ligera. Además, un mecanismo de seguimiento de estrellas muy preciso debe integrarse completamente con el enlace descendente láser para lograr una precisión de puntería sin precedentes – http://www.isd.mel.nist.gov/meso …)

En la medida en que haya “opciones de código abierto disponibles para calcular esto para estrellas / nebulosas / etc. comunes en nuestro vecindario a varios cientos de años luz”, ninguna que pudiera encontrar …

depende de si está transmitiendo información. Si es así, tiene que llegar a aproximadamente 2 veces la energía de radiación de fondo de microondas para garantizar que se envíe una señal inequívoca. Objetivamente, la radiación de fondo no es muy alta, pero tenga en cuenta que la L en el láser representa la luz y la luz se difunde con el cuadrado de la distancia y está hablando de una gran distancia.

Y sí, tendrías que dirigir tu disparo porque, de nuevo, la L en el láser es ligera y la luz viaja a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la luz tardaría más de cuatro años en llegar a Proxima Centauri. La estrella se habrá movido algo en ese tiempo.

De hecho, podría usar cualquier láser porque todos los fotones viajan a la velocidad de la luz (299792458 metros por segundo). La NASA planea usar láser de 250 vatios. Creo que el rayo láser debe consistir en fotones de alta frecuencia (rayos láser UV, x o incluso gamma) porque hay materia oscura que se dobla y estira la luz (cambia la frecuencia de la luz).

Bueno, te estás olvidando de un problema importante para los viajes de larga distancia con fotones de luz de un láser en cualquier espectro de Nm en cualquier característica de Milla Rad o haz. La divergencia de los láseres a medida que se desplaza cualquier rayo será irreducible durante millones de millas. En otras palabras, no puedes apuntar o dirigir los fotones de luz a la fuente en el próximo sistema estelar o incluso al planeta más cercano. Esto es un hecho

Depende de cuán cuidadosamente puedan estar mirando.

Las estrellas tienen un movimiento adecuado, así que sí, tendrías que permitir eso.

Creo que el Sr. Frost es un científico muy inteligente, y lo más probable es que sea un experto en su campo. Sin embargo, mi preocupación es ¿por qué no estamos estudiando otras áreas de las comunicaciones en el espacio profundo, en lugar de solo usar las teorías científicas actuales? Sabemos por el experimento de Aspect en 1982, que dos partículas complementarias se comunicaban entre sí instantáneamente (¿casi?): No habría diferencia si estuvieran en los extremos del horizonte del Universo (140 bil años luz una parte). Me parece que hay un defecto en nuestras teorías actuales, que si el experimento es realmente correcto, ¿por qué no nos estamos centrando en cómo sucede esto? Creo que teletransportarse qbits con enredos está demostrando que este concepto de comunicación es real; de ser así, deberíamos estudiar esta comunicación mucho más de cerca que el concepto láser. Mis pensamientos…