Luc Arnold CNRS Observatoire de Haute-Provence

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

2. Plan • Introduction: SETI • L’idée du SETI par transit • Illustration par quelques exemples • Comparaison avec SETI laser • Considérations élémentaires sur la faisabilité d’objets (écrans) géants

3. SETI

4. Recherche d'intelligence extra-terrestre (SETI) • SETI radio: recherche d’un signal radio • Soit émis intentionnellement à notre attention • Soit une 'fuite' d’émission 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 d’observations est refusée par l’observatoire 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 70’s: META (NASA, Harvard), SERENDIP (NASA, Univ. California), Ohio State Univ. (‘Wow!’ signal en 1977) • 1984 création SETI Institute • 1985-95 META I (Million channels), META II en Argentine: 8,4 millions de canaux, 0.05Hz de résolution, 93% de sky coverage. 50 ‘alertes’. • 1992 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 SETI@home • Aujourd’hui BETA, SERENDIP IV (168 millions de canaux) et seti@home, Southern SERENDIP en Australie, etc. • Projets futurs et actualité: • SETI Institute http://www.seti-inst.edu/ • The Planetary Society http://www.planetary.org/

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

9. 16 novembre 1974, vers M13 à 25000 AL 450 kW à lambda=12.6cm (2380 MHz) dans une bande passante de 10 Hz

10. SETI optique • Contexte historique: 1er 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 d’un 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. 1780 (1965).

12. Kingsley 2001, SPIE

13. Optical SETI: Harvard, Princeton, Berkeley • COSETI Columbus Optical SETI http://www.coseti.org/ • Sources détectables jusqu’à 1000 Ly • Utilisation de photomultiplicateurs rapides Télescope 61’’ (1,5m) OSETI Harvard

14. 2. SETI par transit

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

16. Vue d’artiste de HD209458 Observation du transit de HD209458b par HST (Brown et al 2000)

17. Proposition: • 1. Hypothèse: on suppose que des objets artificiels de la taille d’une planète peuvent être construits par une civilisation avancée dans l’environnement d’une étoile (à 1 UA) • 2. Fait géométrique (cause): ces objets transitent toujours devant l’étoile 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

18. Les sphères de Dyson (Freeman Dyson, Science, 1960) sont plus grandes que des ‘planètes’ artificielles ! • Lecture: Dyson Shell: A Retrospective, Bradbury 2001, http://www.aeiveos.com/~bradbury/

19. Classification de Kardashev (1964), physicien russe • Civilisation de Type I domestique 1017 W (énergie reçue du Soleil) • Civilisation de Type II domestique 1026 W (énergie totale du Soleil) • Civilisation de Type III domestique 1037 W (énergie de toute la Galaxie) -> Dyson sphère: Type II -> Communication par transits: Type I avancé

20. Transits artificiels ? Pour attirer l’attention de civilisations émergentes, une civilisation avancée émet des signaux détectables au cours de l’exploration 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): 60 000 étoiles (en 2006) • KEPLER (NASA): 100 000 étoiles (en 2007) • Découvrirons-nous des transits artificiels ? Tests bientôt possibles !

21. 3. Illustration par quelques exemples

22. Transit simple d’un objet non-sphérique

23. Les courbes photométriques sont différentes… un peu…

24. Différence entre les courbes de transit de l’objet et celle de la ‘meilleure sphère’ (courbes précédentes)

25. Écarts (résidus) de quelques 10-4 • 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)

28. Et un triangle tournant ?

29. 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 l’ambiguïté.

34. Conclusion tirée de ces exemples: • Un objet non sphérique génère une courbe nonfittable par une planète (sphère ou oblate) surtout si l’objet est en rotation (sinon ambiguïté possible) • En cas d’ambiguïté, il faut favoriser la cause naturelle : « En suivant les principes du droit, nous devrions considérer comme naturels tous les phénomènes astronomiques, jusqu’à 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. O’Neill 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, 10000 personnes

37. Stanford Torus: 1975 NASA Summer Study, avec Stanford University (Space Settlements: A Design Study, NASA Publication SP-413) 1,6 km de diamètre, 10000 personnes

38. Torus: intérieur…

39. Torus: construction et intérieur….

40. Première proposition par Werner von Braun en 1952 75 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: 10-2 d’atténuation de l’étoile -> photométrie standard == facile à détecter • Objets de la taille de la Terre: 10-4 d’atténuation de l’étoile • La volonté de communication serait évidente!

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 d’objet unique non-sphérique • Très bon S/N nécessaire pour détecter une anomalie dans le forme de l’objet en transit! • Donc détection d’une civilisation à son insu plutôt qu’une 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 d’un facteur de mérite: le flux d’information pour un angle solide donné. • Transit: • bt=n W / T = 4.10-9 bit.ster/s pour un objet à 1UA • bt= 10-7 à 0.4 UA et avec 10 objets • Laser pulse: • bp=n W / T = 2.10-15 bit.ster/s (Kingsley 2001) • Si on suppose que la vie est concentrée près des étoiles: • 106 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 ! bp=10-7 bit.ster/s en supposant qu’ET connaît le mouvement propre de l’étoile cible (sinon, bp=10-13 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 1018W/pulse (Kingsley 2001) à 8000 AL envoyé par télescope de 10m, 2 photons/pulse arrive dans le télescope OGLE 1.3m -> c’est 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 l’attention • Couverture du ciel autour de 10-7 bit.sr/s • Portée: > 10000 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