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Luc Arnold CNRS Observatoire de Haute-Provence La recherche d'intelligence extra- terrestre (SETI) par la méthode des transits Collège de France, Paris,

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1 Luc Arnold CNRS Observatoire de Haute-Provence La recherche d'intelligence extra- terrestre (SETI) par la méthode des transits Collège de France, Paris, 11 mai 2005

2 Plan Introduction: SETI Lidée du SETI par transit Illustration par quelques exemples Comparaison avec SETI laser Considérations élémentaires sur la faisabilité dobjets (écrans) géants

3 1.SETI

4 Recherche d'intelligence extra-terrestre (SETI) SETI radio: recherche dun signal radio Soit émis intentionnellement à notre attention Soit une 'fuite' démission radio, inhérente à l'activité interne d'une société ETI, dont le contenu ne nous serait pas destiné mais dont la forme serait clairement d'origine artificielle.

5 Giuseppe Cocconi & Philip Morrison, physiciens à Cornell University en 1959 Article fondateur dans Nature, September 19, 1959 Mais leur demande dobservations est refusée par lobservatoire Jodrell Bank

6 Mars 1959: Frank Drake, indépendamment de Cocconi et Morrison, calcule que si un signal radio est émis depuis la Terre avec la techno humaine existante, il est détectable à 10 AL par cette même techno, une antenne de 26m. Avec le soutien de Otto Struve, Drake obtient des observations à Green Bank avec la nouvelle antenne de 26m -> Projet OZMA 2 étoiles G tau Ceti, epsilon Eridani

7 Les écoutes radio continuent, entre 1 et 3 GHz (transparence optimale du ciel, water hole, 1.4 GHz hydrogène neutre, lambda 21cm) 1971: NASA Cyclops report OZMA II: 674 étoiles écoutées 500 h entre 1972 et 76, antenne 43m Années 70s: META (NASA, Harvard), SERENDIP (NASA, Univ. California), Ohio State Univ. (Wow! signal en 1977) 1984 création SETI Institute META I (Million channels), META II en Argentine: 8,4 millions de canaux, 0.05Hz de résolution, 93% de sky coverage. 50 alertes NASA/JPL High Resolution Microwave Survey (HRMS), entre 1 et 3 GHz, 20 millions de canaux de 1 Hz. NASA abandonne SETI en 1993, mais HRMS renaît de ses cendres… Project Phoenix (SETI Institute) 1996 SERENDIP III, U.C. Berkeley, sur Arecibo, et Aujourdhui BETA, SERENDIP IV (168 millions de canaux) et Southern SERENDIP en Australie, etc. Projets futurs et actualité: SETI Institute The Planetary Society

8 Les SETI actuels peuvent détecter 3kW à 100 AL si le faisceau est focalisé vers la Terre (Ulmschneider 2003, mais quel diamètre démetteur ? Arecibo ?) Puissance de lémetteur de RMC à Roumoules, plateau de Valensole, non loin de lOHP: 2 MW -> détectable à environ 2500 AL (Diamètre de lémetteur ?) Arecibo, Puerto-Rico Diamètre 305m

9 16 novembre 1974, vers M13 à AL 450 kW à lambda=12.6cm (2380 MHz) dans une bande passante de 10 Hz

10 SETI optique Contexte historique: 1 er laser en 1960 par Maiman 1961: R.N. Schwartz et C. Townes (Nobel en 1964, inventeur du maser en 1954) proposent de rechercher une émission dun maser continu

11 1965: Rechercher des impulsions laser émises vers la Terre M. Ross, "Search via Laser Receivers for Interstellar Communications," Proc. IEEE, 53, p (1965).

12 Kingsley 2001, SPIE

13 Télescope 61 (1,5m) OSETI Harvard Optical SETI: Harvard, Princeton, Berkeley COSETI Columbus Optical SETI Sources détectables jusquà 1000 Ly Utilisation de photomultiplicateurs rapides

14 2. SETI par transit

15 Recherche de planètes extrasolaires par transit proposée par Otto Struve (1952)

16 Observation du transit de HD209458b par HST (Brown et al 2000) Vue dartiste de HD209458

17 1. Hypothèse: on suppose que des objets artificiels de la taille dune planète peuvent être construits par une civilisation avancée dans lenvironnement dune étoile (à 1 UA) 2. Fait géométrique (cause): ces objets transitent toujours devant létoile pour un observateur dans une direction donnée 3. Conséquence (effet): si ces objets existent, on devrait pouvoir les détecter, voire les caractériser, par la méthode des transits Proposition:

18 Les sphères de Dyson (Freeman Dyson, Science, 1960) sont plus grandes que des planètes artificielles ! Lecture: Dyson Shell: A Retrospective, Bradbury 2001,

19 Classification de Kardashev (1964), physicien russe Civilisation de Type I domestique W (énergie reçue du Soleil) Civilisation de Type II domestique W (énergie totale du Soleil) Civilisation de Type III domestique W (énergie de toute la Galaxie) -> Dyson sphère: Type II -> Communication par transits: Type I avancé

20 Transits artificiels ? Pour attirer lattention de civilisations émergentes, une civilisation avancée émet des signaux détectables au cours de lexploration astronomique normale de la civilisation émergente (Tarter 2001) Exemples: Radio astronomie -> SETI radio méthode des transits pour la recherche des exoplanètes -> SETI par transits ? COROT (CNES): étoiles (en 2006) KEPLER (NASA): étoiles (en 2007) Découvrirons-nous des transits artificiels ? Tests bientôt possibles !

21 3. Illustration par quelques exemples

22 Transit simple dun objet non-sphérique

23 Les courbes photométriques sont différentes… un peu…

24 Différence entre les courbes de transit de lobjet et celle de la meilleure sphère (courbes précédentes)

25 Écarts (résidus) de quelques Ecarts de quelques 3 % par rapport à la profondeur du transit => Signal sur Bruit nécessaire sur le transit > 100 A la portée de COROT et KEPLER Problème: ambiguïté possible avec une planète à anneaux ? (voir Barnes & Fortney 2004, ApJ)

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28 Et un triangle tournant ?

29 Transit et résidus du triangle tournant

30 Objet à 2 écrans

31 Attention: Ambiguïté possible

32 Un objet à 6 écrans

33 Plusieurs rebonds en début et fin de transit. Ambiguïté possible ? Planète avec plusieurs anneaux concentriques ? Mais ces objets sont sûrement en rotation -> levée de lambiguïté.

34 Conclusion tirée de ces exemples: Un objet non sphérique génère une courbe non fittable par une planète (sphère ou oblate) surtout si lobjet est en rotation (sinon ambiguïté possible) En cas dambiguïté, il faut favoriser la cause naturelle : « En suivant les principes du droit, nous devrions considérer comme naturels tous les phénomènes astronomiques, jusquà preuve du contraire » (J.S. Shklovsky, cité par C. Sagan 1973) Précision requise 10-4 (Soleil et objet de la taille de Jupiter ou Saturne) Autres formes possibles ? tore, barre (transit a fond plat) etc.

35 ONeill colonies: cylindres de 32 à 200km de long. (1976 NASA Study on Space Manufacuring)

36 Bernal sphere (1976 NASA Study on Space Manufacturing) 1,6 km de diamètre, personnes

37 Stanford Torus: 1975 NASA Summer Study, avec Stanford University ( Space Settlements: A Design Study, Space Settlements: A Design Study, NASA Publication SP-413 NASA Publication SP-413 ) 1,6 km de diamètre, personnes

38 Torus: intérieur…

39 Torus: construction et intérieur….

40 Première proposition par Werner von Braun en m de diamètre, un tour en 22s, gravité: 0.3 g

41 Tous ces objets sont trop petits pour être vus par transit …

42 Transits multiples Flottille de plusieurs objets Arrangement en série de nombres premiers, ou bien en puissance de 2, etc. Alternance entre ces 2 positions après plusieurs rotations Minimum 2 objets: intervalle de temps entre 2 entrées Configurations hors équilibres gravitationnels (sinon 3 objets avec L4 L5)! Objets de la taille de Saturne ou Jupiter: datténuation de létoile -> photométrie standard == facile à détecter Objets de la taille de la Terre: datténuation de létoile La volonté de communication serait évidente!

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44 Codage temporel (intra- et inter- paquets) Message binaire, éventuellement déconvoluable Objets plus petits=>plus de bits, mais détectabilité moins bonne

45 Conclusion de cette partie Transits multiples: Signaux binaires (transit/pas de transit) Évidence de la volonté de communication Précision de la photométrie pour les voir: 1% (hypothèse objet de la taille de Saturne ou Jupiter devant un Soleil) Transit dobjet unique non-sphérique Très bon S/N nécessaire pour détecter une anomalie dans le forme de lobjet en transit! Donc détection dune civilisation à son insu plutôt quune civilisation cherchant à communiquer ? -> SETT (Search for Extraterrestrial Technology)

46 4. Comparaison de SETI par transit et par pulse laser

47 Les transits sont-ils aussi efficaces que les pulses laser pour la communication interstellaire ? Définition dun facteur de mérite: le flux dinformation pour un angle solide donné. Transit: b t =n T = bit.ster/s pour un objet à 1UA b t = à 0.4 UA et avec 10 objets Laser pulse: b p =n T = bit.ster/s (Kingsley 2001) Si on suppose que la vie est concentrée près des étoiles: 10 6 étoiles à 1000 AL Une étoile à 1000 AL se déplace de 5 durant le voyage du faisceau laser… Il faut donc anticiper pour viser juste ! b p =10 -7 bit.ster/s en supposant quET connaît le mouvement propre de létoile cible (sinon, b p = bit.ster/s !)

48 Étoile à 1000 AL => 5mas/an Données Hipparcos – Mignard 2005, com. privée

49 Portée des 2 méthodes Photométrie des transits: programme OGLE atteint magnitude (presque limite) de I=15,7 avec un télescope de 1.3m, sur une étoile à 8000 AL Avec laser W/pulse (Kingsley 2001) à 8000 AL envoyé par télescope de 10m, 2 photons/pulse arrive dans le télescope OGLE 1.3m -> cest à la limite de la détection -> Transit et pulse laser ont une portée comparable (avec les hypothèses mentionnées)

50 Conclusion de cette partie: Les transits sont une bonne méthode pour se montrer ou pour attirer lattention Couverture du ciel autour de bit.sr/s Portée: > AL Si un transit artificiel détecté, alors chercher des pulses laser sur cette étoile, parce que les lasers sont plus efficaces en terme de bit/sr/s

51 5. Considérations élémentaires sur la faisabilité dobjets (écrans) géants

52 Laser de puissance 6x10 14 W/pulse avec LMJ ou NIF (vers 2008) 1000 x moins que W (Kingsley 2001) 1 tir/jour pleine puissance Humanité aujourdhui capable de b p = bit.ster/s On peut avoir b p > bit.ster/s avec laser moins puissant et f=1 Hz, mais de portée plus faible…

53 Grandes structures ONeill, Stanford Torus, Bernal: qq 1 à 200 km seulement => transits noyés dans le bruit solaire -> structure passive type voile solaire Déploiement des grandes structures dans lespace: Znamya-2 en 1993 diamètre 20m Terre diamètre m … Provoque 7x10 -5 datténuation solaire Humanité aujourdhui capable de b t =0 bit.ster/s

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55 Mini étude de faisabilité: Peut-on fabriquer une voile de 1 micron dépaisseur et km de diamètre (diam. terrestre) ? Volume équivalent: diamètre 632m

56 Astroengineering dun astéroïde métallique: 94 % de Fe Quelle énergie pour le laminer en une feuille de 1 micron ? Chauffage de 0 à 1808 K: Wh Fusion à 1808 K: Wh Total= Wh = 2 ans de production électrique française en 2000 = de lordre de 1 semaine de la production mondiale dénergie

57 Astroengineering dun astéroïde de silicate Quelle énergie pour en faire une feuille de 1 micron de Si amorphe ? Chauffage + fusion: Wh Energie nécessaire: pratiquement la même que pour le Fe ! …. Avantage: en faire un panneau photovoltaïque ! Flux solaire 1375 Watts/m² à 1 UA 12000km de diam font m 2 Soit une puissance crête reçue de W Rendement de 6% (Si amorphe) = W En quelques minutes, le panneau produit lénergie quil a fallu pour le fabriquer ! (disons au moins pour le chauffer et le fondre, intégrer lénergie grise: mise en œuvre, connectique pour la collecte de lélectricité, etc.)

58 NASA – Stanford University 1975

59 Masse de lastéroïde ferreux de 632m de diamètre: 1,04 x kg Production mondiale dacier brut en 2004: 1050 millions de tonnes = 1.05 x kg Suggestions et calculateurs bienvenus Mise en orbite depuis la Terre ? Orbites possibles (précession pour signal sur 4pi sr) Structure (épaisseur optimale ? rotation anti-collapse ?) Pertes par rayonnement lors des chauffage+fusion Imaginer un process de fabrication… Etc.

60 Conclusions… « Nous sommes certainement la civilisation techniquement la plus arriérée de la Galaxie » (Sagan 1980) Lectures: The cosmic connection, Carl Sagan (1973) Cosmos, Carl Sagan (1980) Rare Earth, Ward & Brownlee (2000) Intelligent Life in the Universe, P. Ulmschneider (2003) Web: Article original: Transit Lightcurve Signatures of Artificial Objects, Arnold L., ApJ 2005, sous presse téléchargeable à ladresse: (ou Luc Arnold sur Google !)


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