ABSTRACT

“Is There Anybody Out There?” esplora la possibilità dell’esistenza di altre civiltà nell’universo e se sia possibile rilevarle attraverso le onde radio. Partendo da un’analogia con la celebre canzone dei Pink Floyd, il testo descrive i limiti delle tecnologie attuali, le distanze astronomiche e la potenza necessaria per trasmettere e ricevere segnali nello spazio.

Con un approccio scientifico, vengono presentate formule e calcoli per spiegare quanto sia complesso captare segnali alieni, anche tenendo conto del rumore di fondo della nostra galassia. Si discute anche dell’importanza della frequenza di campionamento e della digitalizzazione delle trasmissioni. Nonostante la difficoltà di intercettare segnali alieni, il documento incoraggia comunque a mantenere la speranza e la curiosità scientifica, concludendo che, pur essendo estremamente improbabile, la possibilità di trovare altre forme di vita non è completamente esclusa.

Se sei affascinato dalla possibilità di vita extraterrestre e dalle sfide tecnologiche nel rilevarla, ti invito a leggere questo approfondimento che unisce scienza, matematica e riflessioni sulla nostra posizione nell’universo!

Introduzione

La citazione nel titolo, per chi non è vecchietto come me, è dei Pink Floyd, brano presente nel loro famosissimo album “The Wall”, e ci sta tutta con l’argomento di oggi.

Nella Via Lattea, la galassia in cui viviamo, ci sono centinaia di miliardi di stelle, e attorno a molte di esse orbitano sicuramente dei pianeti che oggi non riusciamo ancora a scorgere se non in minima parte a causa dei primitivi metodi che utilizziamo a tale scopo (tipicamente il metodo del transito se abbiamo la fortuna che stella e pianeta siano allineati, oppure il metodo della velocità radiale che però mal si adatta a trovare terre in regione abitabile); ma con tanti pianeti presenti, è possibile che noi si sia davvero soli nell’Universo?

Là fuori, da qualche parte, c’è qualcuno con cui dialogare?

Oggi vedremo se c’è la possibilità di scoprirlo, e lo faremo grazie a uno strumento che tutti noi conosciamo: le onde radio.

Fin dal 12 dicembre 1901, da quando Guglielmo Marconi effettuò la prima trasmissione radio transatlantica, l’uomo riempie l’etere con le sue trasmissioni radio, che hanno quindi superato oramai la bella distanza di 120 anni luce, visto che le onde radio si propagano attraverso il vuoto alla stessa velocità.

Questo significa che, dotati di apparati particolarmente sensibili, orecchie aliene potrebbero ascoltare i nostri discorsi sintonizzandosi sulle stazioni commerciali così come potremmo fare noi, a parti invertite.

Vedremo però che non è esattamente così, anzi, credo proprio di no, e adesso vi spiego il perché.

Punto uno: la potenza di trasmissione e le distanze

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Questo è sicuramente uno dei pezzi forti della questione, anche se c’è da digerire un po’ di matematica; se quest’ultima non fosse però di vostro gradimento, potete saltare subito al penultimo paragrafo di questo capitolo :o)

In radioastronomia si usa come unità di misura lo Jansky (simbolo: Jy), che è una unità di misura del flusso e della densità di flusso elettromagnetico; uno jansky vale 10⁻²⁶ watt per metro quadro per hertz e prende il nome dal fisico statunitense Karl GutheJansky, che scoprì le onde radio di origine galattica nel 1930.

La formula per ottenere il flusso in Jansky è:

Una stazione radio commerciale (così come una stazione televisiva) usa potenze di trasmissione che vanno da 10 a 100 kW; se prendiamo come esempio una stazione tipica FM, questa ha una frequenza di circa 100 MHz, e allora dovremo fare: Jy = (100.000 W x 10²⁶) / (1,12×10³⁵ mq x 100.000.000 Hz) = 8,9×10^-13Jy, ovvero, se i miei calcoli sono giusti, poco meno di un picoJansky, davvero molto poco, tenendo conto che il fondo radio a 10 GHz della Via Lattea è di circa 2.000 Jy (fonte: Wikipedia), ovvero oltre due milioni di miliardi di volte più intenso.

Per capire quanto debole sia questo flusso, prendiamo un’altra strada: le trasmissioni radio-televisive si basano per l’appunto sulle onde radio, che sono radiazioni elettromagnetiche appartenenti all’omonimo spettro, con frequenze che vanno da 0 a 300 GHz, e come tutte le radiazioni elettromagnetiche sono formate da fotoni, che hanno energia proporzionale alla loro frequenza (o inversamente proporzionale alla loro lunghezza d’onda), e la formula che serve per calcolare l’energia di un fotone è:

dove E è L’energia del fotone, h è la costante di Planck, c è la velocità della luce nel vuoto e λ è la lunghezza d’onda del fotone; fatti i dovuti calcoli, ogni singolo fotone emesso da questa stazione ha quindi una potenza di poco più di 4×10⁻⁷eV o, se preferiamo, 6,6×10^-26 joule;

Se quindi ipotizziamo di utilizzare 100 kW per la nostra trasmittente (facendo l’improbabile ipotesi che tutta l’energia venga convertita in onde radio e quindi in fotoni), il numero di fotoni emessi sarà di 100.000 / 6,6×10^-26, ovvero circa 1,5×10³⁰ fotoni al secondo, un numero enorme.

Ma anche le distanze astronomiche sono enormi.

Se poniamo ad esempio di trasmettere ad una distanza di 10 anni luce (piccola in termini astronomici, dovremmo essere estremamente fortunati a trovare una civiltà aliena proprio sulla porta di casa), e ponendo che la trasmissione sia omnidirezionale (a dir la verità normalmente nelle trasmissioni radio si usano i dipoli, ma nel nostro caso non cambia poi moltissimo, visto i numeri in gioco), la superficie della sfera con un simile raggio è di 4π x (10 x 9,46×10¹⁵)² = circa 1,12×10³⁵ metri quadrati, dove 9,46×10¹⁵ sono i metri presenti in un anno luce.

Confrontando il numero dei fotoni emessi al secondo dalla nostra stazione(1,5×10³⁰) con la superficie della sfera ottenuta (1,12×10³⁵), otteniamo che, per poter ricevere UN FOTONE AL SECONDO (sempre ammesso e non concesso che non ci siano dispersioni o assorbimenti nel tragitto e che gli apparati trasmittenti e riceventi abbiano una resa del 100%, il che è impossibile) da detta sorgente, dovremmo usare un’antenna parabolica con una superficie utile pari a circa 100.000 metri quadrati (dieci ettari!), ovvero dovrebbe avere un diametro di circa 308 metri; diciamo quindi che sarebbe compatibile con FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope), il radio telescopio costruito nel sudovest della Cina, che usa una superficie ottica attiva che modifica di continuo per creare una parabola allineata il meglio possibile con la porzione desiderata di cielo, ottenendo una dimensione effettiva utilizzabile della parabola di 300 m.

Gli array di antenne (come VLA o simili) non migliorano di molto la situazione in questo caso, in quanto la sensibilità dipende esclusivamente dalla superficie utile della singola antenna o al massimo dalla somma delle superfici utili delle antenne, non certo dalla loro distanza che incide solo sulla risoluzione che possiamo ottenere, mentre è ininfluente ai fini della sensibilità.

Punto due: la frequenza di campionamento

Ora, un campionamento a 1 Hz (un fotone al secondo) non serve a nulla.

Per campionare qualsiasi suono, secondo il teorema di Nyquist-Shannon, serve una frequenza di campionamento almeno doppia a quella della sua frequenza massima; ad esempio, per campionare una voce umana (che va nel parlato dai 70 ai 350 Hz, dagli adulti ai bambini), è necessario effettuare ad intervalli regolari almeno 700 campionamenti al secondo; un campionamento a frequenze inferiori renderebbe inintelligibile la trasmissione.

Questo significa che se volessimo ascoltare una trasmissione radio aliena, un fotone al secondo non sarebbe sufficiente; ne servirebbero infatti almeno 700 per avere una possibilità di poter distinguere chiaramente le voci presenti nelle trasmissioni (ammesso e non concesso che la gamma aliena delle frequenze nel parlato sia simile a quella terrestre), e quindi servirebbe un’antenna con una superficie utile 700 volte superiore a quella precedentemente ipotizzata, ovvero di 70.000.000 metri quadrati (70 chilometri quadrati!).

Ovviamente, se invece volessimo ricevere dei dati, la frequenza di campionamento minima sarebbe quella della banda informatica misurata in bit/s (una normale connessione internet supera allegramente i 100.000.000 di bit/s, ovvero 100 Mbit/s).

Questo ipotizzando che non ci siano disturbi e che basti un solo fotone per campionamento, che però dipende strettamente dal metodo della trasmissione che stiamo utilizzando, e qui apriamo il terzo punto.

Punto tre: tipologia di trasmissione e digitalizzazione

Se un radiotelegrafista della vecchia scuola cercasse di capire se ci sono trasmissioni radio sulla Terra, probabilmente concluderebbe con un bel no.

Questo perché lui cercherebbe solo trasmissioni tipo acceso/spento (come quando si preme il pulsante di un telegrafo), mentre le trasmissioni attuali sono o a modulazione di ampiezza (AM), a modulazione di frequenza (FM) o un misto delle due, che richiedono strumenti e tecniche completamente diverse.

Inoltre, già ora, a poche decine di anni dalle prime trasmissioni, si tende a digitalizzare, comprimere e criptare un po’ tutto (basta pensare ai decoder terrestri digitali e alle radio digitali come la DAB, già in uso) per poter aumentare il numero di canali a disposizione, e quindi c’è da credere che qualunque civiltà tenderà ad aumentare la quantità di informazioni per singolo canale in maniera vertiginosa, rendendo assolutamente inutile un campionamento a 700 Hz come precedentemente ipotizzato (si parte dal Mbit/s in su).

Ma facciamo finta che gli extraterrestri siano un popolo di burloni, e che intendano mantenere le loro trasmissioni radio su vetusti standard.

Punto quattro: le frequenze

Le onde radio sono ‘spalmate’ su un’enorme gamma di frequenze, che vanno dalle EHF alle ELF, con un numero colossale di canali, che ovviamente è impossibile ascoltare contemporaneamente:

Frequenze molto diverse richiedono inoltre anche tipi di antenne diverse, e quindi non è solo una questione di ‘cambiare canale’, bensì di utilizzare strutture adatte all’uopo.

Si presume inoltre che una civiltà sufficientemente avanzata utilizzi anche dei canali molto stretti, il che non fa che complicare le cose visto che il loro numero aumenterebbe di conseguenza; insomma, è come cercare un ago in un pagliaio.

Negli anni ’50 del secolo scorso, comunque, Giuseppe Cocconi e Philip Morrison scrissero un articolo su Nature indicando le frequenze più consone a cui effettuare tali ricerche, e le individuarono da 1 MHz a 10 GHz, con particolare riferimento a quelle incentrate sulla lunghezza d’onda di 21 centimetri dell’idrogeno neutro (1,42 GHz) dato che per un astronomo dovrebbe essere quasi una scelta naturale usare tale frequenza; successivamente, altre ricerche hanno dimostrato che al di sotto di 1 GHz la radiazione di sincrotrone emessa dagli elettroni in movimento nei campi magnetici delle galassie è troppo forte e arrecherebbe troppo disturbo, mentre sopra i 10 GHz c’è l’interferenza dovuta al rumore prodotto dalle molecole di acqua e dagli atomi di ossigeno nella nostra atmosfera, quindi il range si restringe almeno un po’.

Punto cinque: il rumore di fondo

E qui casca l’asino, come si suole dire.

Qui c’è una piccola tabellina che indica qual è il valore in Jansky di alcune sorgenti radio (fonte: Wikipedia):

Confrontando questi valori con il valore ottenuto precedentemente nel punto uno per una radio che trasmette con 100 kW di potenza a 100 MHz a 10 anni luce di distanza, ovvero 8,9×10^-13Jy, si vede che il confronto è improbo.

Se paragonato ad esempio con il rumore di fondo che produce la Via Lattea a 10 GHz (lo so, non è la frequenza delle stazioni radio standard, ma se guardate bene la tabellina, a frequenze inferiori è molto peggio), la proporzione è di 2.000 Jy contro 8,9×10^-13Jy, ovvero il nostro segnale sarebbe circa 2,24×10¹⁵ volte più debole (oltre due milioni di miliardi!); a queste condizioni, è come cercare di ascoltare un suono milioni di volte più debole del ticchettio di un orologio (20 dBA) mentre siamo a un concerto Rock (105 dBA).

Ovvio che è un’impresa impossibile.

Come se non bastasse, è improbabile che su un intero pianeta ci sia solo una stazione radio a trasmettere sulla frequenza da noi scandagliata, e quindi sarebbe difficilissimo distinguere una dall’altra visto che le riceveremmo tutte insieme: basta pensare a quando ci spostiamo in macchina, e, percorsa una certa distanza, sentiamo il sovrapporsi delle stazioni a seconda se ci avviciniamo o allontaniamo da questa o da quella; è come cercare di distinguere una sola conversazione tra due persone a distanza in un’area affollatissima in cui tutti parlano, come per esempio l’atrio di una grande stazione ferroviaria.

Quindi, anche se riuscissimo a creare un’enorme antenna in grado di rilevare i debolissimi segnali radio emessi dalle stazioni aliene, ci troveremmo a confrontarci con un soverchiante e assordante brusio che renderebbe vano qualunque nostro tentativo.

Punto sei: il ‘timing’

L’Universo esiste da circa 13 miliardi di anni mentre noi stiamo usando le onde radio da poco più di un secolo, correndo inoltre il rischio che qualcuno schiacci per errore il pulsante sbagliato nuclearizzandoci tutti, o che il nostro modo di vivere distrugga l’ambiente o che sconvolga il clima; insomma, spero che l’uomo possa procedere nella sua strada per molto tempo ancora, ma il futuro non è perfettamente sereno, e la nostra parentesi di permanenza come società civile su questo meraviglioso globo verdazzurro potrebbe concludersi, ahimè, anzitempo.

Poco più di un secolo in confronto a 13 miliardi di anni, per ora, quindi.

Molto poco: se dovessimo prendere noi come esempio per le altre civiltà, dovremmo avere una fortuna sfacciata a puntare l’orecchio verso il sistema stellare giusto, nel momento giusto: in termini probabilistici, una probabilità su 100 milioni circa, ovvero dieci volte più bassa di quella che avremmo avuto di vincere il primo premio alla lotteria Italia di quest’anno acquistando un solo biglietto.

Ma non si può mai sapere.

Conclusione

Ma allora il progetto SETI e tutte quelle volte che ci dicevano ‘stiamo ascoltando il cosmo per cercare qualcuno là fuori’ ci prendevano in giro?

Sì e no.

Non potremo mai ascoltare la voce di un Pavarotti proveniente da Sirio o guardare un canale televisivo da Arturo, questo è scontato, e la mia opinione in questo specifico contesto è quindi un secco “non si può fare”.

Però potremmo riuscire ad ascoltare i segnali diretti esattamente verso di noi da altre civiltà, come abbiamo fatto noi nel 1974: per celebrare un consistente ampliamento del radiotelescopio da 305 m di Arecibo, un messaggio in codice di 1.679 bit fu trasmesso verso l’ammasso globulare M13, distante da noi circa 25 000 anni luce.

Sì, è vero, è difficilissimo che si riesca ad intercettare simili segnali: bisogna stare ad ascoltare con enormi antenne nella direzione giusta, sulla frequenza giusta, sperando che gli esserini verdi inviino il segnale esattamente verso di noi e soprattutto essere lì ad ascoltare nel momento esatto in cui questi segnali arrivano: in fondo noi abbiamo trasmesso solo qualche sparuto messaggio, e l’Universo esiste da molti miliardi di anni.

Esistono però altre emissioni radio che esulano dalle trasmissioni commerciali e che focalizzano il segnale in fasci ristretti, come ad esempio certi tipi di radar, che forse in futuro potremmo riuscire a captare se saremo fortunati, anche se in tal caso potremo capire solo che c’è qualcuno là fuori e stop, ma forse basterebbe già questo.

Ma se in fondo ritengo decisamente improbabile che si possa ricevere qualche segnale da un’aliena civiltà, è anche vero che se non stessimo in ascolto le probabilità sarebbero semplicemente zero. Quindi, meglio provare (et res non semper, spesmihisemperadest, come direbbe Publio Ovidio Nasone); inoltre, il progetto SETI, come altri analoghi, sono solo delle propaggini di progetti più ampi, che studiano invece con successo l’Universo che ci circonda, non dimentichiamolo.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 267 VERSIONE CARTACEA