Dünya Dışı Akıllı Uygarlıklar, Atarcalar (Pulsarlar) Yardımıyla Yıldızlararası Haberleşme Yapabilir mi?

Samanyolu Galaksisi, yaşanabilir en az 1 adet, potansiyel olarak milyonlarca gezegene ev sahipliği yapmaktadır. Bu gezegenlerin içinde Dünya kadar şanslı olanlar var ise, üzerlerinde yaşam da oluşmuş olabilir. Olası bir Dünya dışı yaşam ile ilgili en önemli sorulardan biri, bu yaşamın ilkel veya akıllı olup olmadığıdır. Olası bir akıllı yaşam ile ilgili en önemli soru ise bizden daha gelişmiş olup olmadığıdır.

Bugüne dek Dünya dışı akıllı yaşam üzerine yapılan tüm araştırmalar, Dünya dışı mühendislik harikalarının veya evrendeki doğal kaynaklardan gelemeyecek olan elektromanyetik radyasyonların meydana getireceği teknoimzaları aramak üzerineydi. Gelişmiş uygarlıkları enerji tüketimlerine göre sınıflandıran Kardashev Ölçeği'ne göre bu tip teknoimzalara sahip olabilecek olan uygarlıklar Tip-I üzerindeki seviyelerde bulunmalıdır. Diğer bir deyişle, Tip-1 seviyesine karşılık gelen enerji tüketim (güç) değeri olan $4\times 10^{19}$ erg/s ($4\times 10^{12}$ Watt) değerinden daha fazla bir güce sahip olmalıdırlar.

Tip-I üzerindeki bir uygarlığın enerji tüketimindeki önemli bir amacı ise diğer olası uygarlıklarla haberleşebilmek için kurulacak bir iletişim mekanizmasının enerji gereksinimini karşılamak olmalıdır. Eğer bizlere göre en konvansiyonel metot olan radyo dalgaları aracılığıyla yerlerini belli etmek isterlerse, böyle bir radyofar mekanizması çok yüksek mertebelerde güce ihtiyaç duyacaktır. Tüm gökkürelerine yayın yapmak için eşyönlü (izotropik) olarak gönderilecek bir sinyalin gücü üzerinden yola çıkılırsa, Kardashev'in varsayımları ve Dünya'nın en büyük radyo teleskobu olan FAST teleskobunun teknik verileri doğrultusunda, 1 GHz'lik bir sinyali 1 kiloparsek (1 kpc, yaklaşık 3261.6 ışık yılıdır) uzaklığa yollayabilmek için gereken güç $10^{30}$ erg/s mertebesinde olacaktır. Üstelik sinyal eşyönlü olarak değil de $2°$ gibi küçük bir tepe açısı ile gönderilse dahi $10^{25}$ erg/s 'lik bir güç gerekecektir - ki bu durumda da üzerinde yaşam (hele ki akıllı yaşam) bulunduran bir yıldız sistemi ile karşılaşmak çok düşük bir ihtimal olacaktır. Görüldüğü üzere bu güç değerleri de Tip-1'in çok üzerindedir.

Teknolojisi yıldızlar arası yolculuk yapabilecek bir seviyeye henüz ulaşmış olan bir uygarlık, eğer sesini bulunduğu gökadanın tümüne veya büyük bir bölümüne duyurmak isterse, sıkışık nesneler olan atarcalar aracılığıyla bunu gerçekleştirebilir. Öyle ki, sadece bir atarcanın radyofar olarak kullanılabilmesi durumunda dahi tüm uygarlıklarının enerji tüketiminden çok daha güçlü bir radyofara sahip olacaklardır. Elbette bu tip amaçlar çok yüksek ulaşım ve mühendislik yetenekleri gerektirecek ve oldukça maliyetli olacaktır. Ancak yıldızlar arası yolculuk yapabilecek seviyeye gelebilmiş olası bir uygarlığın da bunu deneyebilecek olması ihtimallerden biridir.

Atarcalar, olay ufkuna sahip olmayan en sıkışık nesneler olan nötron yıldızlarının bir türüdür. Kuvvetli manyetik alanları dönme hareketi veya kütle aktarımından kaynaklanır. Zaman içinde de dönme kinetik enerjilerini kaybettikleri için (çok yavaş ancak sürekli bir süreç) manyetik eksenlerinden radyo dalgaları yayınlarlar. Atarcaların radyo yayını belirteçlerinin en önemlisi olan akı yoğunlukları yıldızlar arası elektron yoğunluğuna göre değişse bile, kararlı radyo kaynakları olarak sınıflandırılmaktadırlar. Nötron yıldızlarının diğer bir türü olan magnetarlar da radyo yayını yapabilmektedir. Ancak ekstrem seviyelerdeki manyetik alanları nedeniyle çevrelerinde herhangi bir inşaat yapılmasına olanak vermeyecek kadar tehlikelidirler (bu anlamda karadeliklerden bile daha tehlikelidirler).

Atarcaların radyofar olarak kullanılmaları durumunda ne kadar bir güce sahip olacakları radyo lüminositeleri üzerinden bulunabilir ve hesaplamalar sonunda 1 kiloparsek mesafeye sinyal yollayabilmek için $10^{26}$ erg/s mertebesinde güç üretebilecekleri görülmektedir. Bu güçteki bir radyofarın sinyalleri FAST gibi bir radyo teleskop ile rahatlıkla saptanabilecektir. Üstelik bu güç mertebesi bir alt sınırdır. Daha yüksek akı yoğunluklarında radyo lüminositeleri bu mertebenin daha da üzerine çıkacaktır. Atarcalar eşyönlü bir radyo yayını yapmasalar bile emisyon konileri (konik şekilli radyo yayını) tek bir doğrultuda değildir. Çünkü dönme eksenleri ile manyetik eksenleri genellikle üst üste değildir. Dolayısıyla aynı doğrultuda ve birbirine zıt yönlü olan iki emisyon konisi, doğrultularını sürekli değiştirerek uzayı tarar. Bu tarama hareketi sayesinde atarcaların emisyon konilerinin, belli bir tepe açısıyla tek yönlü gönderilen bir emisyon konisine göre uzayın daha büyük bir bölümüne hitap ettiği söylenebilir.

Atarcaların emisyon konilerinin düzgün bir koni yapısında olduğu kabul edilse de, bazı özel durumlarda manyetosferdeki retardasyon ve aberasyon (geciktirme ve sapma) etkilerinden ötürü koni, atarcanın dönme yönünde bükülebilir. Ancak bu durum çoğu atarca için geçerli olmadığından dolayı olağan emisyon geometrilerinden sayılmamaktadır.

Farklı Eğim Geometrilerine Göre Uzayın Taranması

Atarcaların dönme ve manyetik eksenleri genellikle çakışık olmamasından ötürü aralarında bir eğim açısı bulunur. Bugüne kadar gözlenen tüm atarcaların eğim açıları da geniş bir dağılım aralığına sahiptir. Farklı eğim açılarına (ve emisyon konisi tepe açılarına) göre atarcanın çevresindeki uzayın ne kadarının taranacağı hesaplanabilir. Bununla birlikte, radyo dalgaları sadece taranan bölge içerisinde yayılacağı için, atarcanın dönme periyodu yerine uzayı tarama geometrisi daha büyük önem taşır. Başka bir deyişle atarcanın hangi açısal hızla döndüğü önemli değildir. Yapılan hesaplamalar sonucunda atarcaların eğim açılarına göre uzayda nasıl bir hacim tarayacakları aşağıdaki grafikte gösterilmektedir.

Haliki, E. (2019). Broadcast network model of pulsars as beacons of extraterrestrial civilizations. International Journal of Astrobiology, 18(5), 455-462.

Radyo Yayınının Ağ Yapısı

Bir atarcanın radyo yayınını alabilmek için emisyon konisinin içinde bulunmak gereklidir. Bu nedenle her bir koninin uzayda taradığı bölgeler, yollarına çıkan her yıldız sistemine radyo dalgalarını ileten bağlantılardan oluşan bir yapı olarak açıklanabilir. Bu yapı bir yayın ağı (İng: "broadcast network") yapısıdır ve yıldız topolojisine (İng: "star graph" veya "claw") benzemektedir. Topolojinin adında geçen yıldız kelimesinin gökbilimsel bir anlamı yoktur, sadece ağ yapısının adıdır.

Yıldız topolojisinde her bir atarca bir "merkez düğüm" (İng: "hub"), her bir yıldız sistemi de bir düğüme karşılık gelir. Buradan yola çıkılarak, atarcaların uzayı tarama hacimlerinin ağın büyüklüğü, yani merkez düğümün ne kadar düğüme ulaşabildiği ile ilişkili olduğu anlaşılmaktadır. Bize göre fazlaca gelişmiş olası bir uygarlığın birden fazla atarcayı kontrol edebilmesi durumunda ise yayın ağı çok büyüyecek ve bir meta-ağ olarak gökadanın çok büyük bir kısmına sinyal yollanabilecektir.

Bir atarcanın dönen emisyon konisinin kaç tane yıldız sistemini kapsayabileceği veya, ağ teorisine göre kaç tane düğüme bağlanabileceği gökadamızın farklı bölgelerinin yıldız yoğunluğuna bağlıdır. Ortalama değerler olarak, 1 pc³'lük hacim başına disk bölgesinde 1, şişkinlik bölgesinde 100 ve merkez bölgede 1000 adet yıldızdan bahsedilebilir.

Galaktik halo (gökada aylası) bu bölgelerden ayrı tutulmalıdır. Çünkü metalisitenin (bir yıldız veya başka bir gök cisminde hidrojen ve helyum dışındaki elementlerin oranı) az olduğu az sayıda yalnız yıldızlar ve küresel kümeler gelişmiş ve hatta ilkel yaşamı barındırabilecek karasal gezegenleri tespit etmek için uygun yerler değildir. Bununla birlikte şişkinlik (bulge) ve merkez bölgeleri de çok yüksek metalisite değerlerine sahiptir. Bu bölgelerdeki bir yıldız sisteminde oluşabilecek olan gezegenler çok kütleli olacaktır ve (eğer varsa) civarlarındaki Dünya benzeri gezegenleri kolayca yok edebilirler. Dahası, bu bölgeler yoğun süpernova frekansına sahiptir ve bu da birçok karasal gezegenin var olmasını ve yaşamı desteklemesini engelleyebilir.

Bu durumda, gökadamızın en yüksek Dünya dışı yaşam ihtimalini barındıran bölgesinin, merkezinden 7 ile 9 kpc uzaklıkları arasındaki halka şeklinde bir bölge olan galaktik yaşanabilir bölge olduğu söylenebilir.

Haliki, E. (2019). Broadcast network model of pulsars as beacons of extraterrestrial civilizations. International Journal of Astrobiology, 18(5), 455-462.

Kendi yaşanabilir bölgelerinde karasal gezegenlere sahip yıldızların galaktik yaşanabilir bölgedeki oranı tam olarak bilinmemektedir. K, G ve F tipi anakol yıldızları çevrelerinde yaşam oluşturmaya elverişli ömürleri nedeniyle daha bir göz önünde bulundurulabilir. Bu tip yıldızlar gökadamız Samanyolu'nun yıldız popülasyonunun kabaca %%10'luk bir grubunu oluşturur ve bunların %22'sinin yaşanabilir bölgelerinde Dünya benzeri gezegenlere sahip olduğu tahmin edilmektedir. Aşağıdaki şekilde, galaktik yaşanabilir bölgedeki bir atarcanın uzayı tarayan emisyon konisinin atarcadan uzaklaştıkça ulaşabileceği Dünya benzeri gezegen sayısının grafiği gösterilmektedir.

Haliki, E. (2019). Broadcast network model of pulsars as beacons of extraterrestrial civilizations. International Journal of Astrobiology, 18(5), 455-462.

Sonuçlardan da görüldüğü gibi, tek bir atarcanın kontrolü durumunda bile Dünya benzeri gezegenlere sahip çok sayıda güneş sistemine ulaşılabilmektedir. Bu gezegenlerin her biri, atarcadan gönderilen ve modüle edilmiş (taşıyıcı sinyal ile bilgi sinyalinin birleşmesi ile sinyal düzenlenmesi) radyo sinyallerini analiz etmek için yeterince karmaşık ve gelişmiş bir yaşama sahip olabilir.

Birden fazla atarcanın kontrol edilebilmesi durumunda ise daha fazla gezegene ulaşılabilir - ki bu durum da bazı yaklaşımlarla modellenebilir. İlk olarak, atarcaların birbirine birkaç parsek veya daha yakın olduğu kabul edilebilir. İkincisi, radyo sinyallerinin birbirine karışmadığı veya çok küçük bir kısımda denk gelecekleri düşünülebilir.

Artık her atarcanın yayın ağı birleşerek bir meta-ağ meydana gelebilir durumdadır. Meta-ağın tek bir kontrol noktası yoktur ve e-posta ağında olduğu gibi merkezsel olmayan bir topolojiye sahip olacaktır. Her kontrol edilen atarca kendi aramasını yapabilir. Birisi devre dışı kalırsa (modülatör sorunlarından ötürü yapay değil de doğal bir atarca yayınına dönüşürse) diğerleri çalışmaya devam edebilir ve sinyal gönderebilir. Her atarca tek yönlü bir posta sunucusu gibi davranabilir.

Haliki, E. (2019). Broadcast network model of pulsars as beacons of extraterrestrial civilizations. International Journal of Astrobiology, 18(5), 455-462.

Atarcaların Etrafındaki Olası Modülatör Yapıları

Atarcaların radyo yayınları ile bir yayın ağı oluşturmak amacındaki olası bir Dünya dışı akıllı yaşamın öncelikle atarcayı kontrol edebilecek mekanizmalara sahip olması gerekir. Bu tür teknolojiler insanlık tarafından henüz geliştirilmemiş olsa da, atarcaların etrafındaki bu tip mekanizmaların nasıl çalışabileceğini düşünebiliriz.

Tüm modülatörlerin ortak noktası emisyon konilerindeki radyo yayınını yakalayabilmek için radyo emisyon yüksekliğinden uzakta olmaları gerektiğidir. Radyo emisyon yüksekliği radyo dalgalarının yayınlanmaya başladığı bölgenin atarcanın yüzeyine olan uzaklığıdır. Bir atarcanın manyetik alan çizgileri ışık silindiri adı verilen bir bölgenin içerisinde kapalı eğrilerdir ve ışık silindirinin yarıçapının yaklaşık %10'u kadar bir yükseklikte radyo yayını başlamaktadır. Buradan modülatörün atarcanın manyetosferinde yer alacağı görülebilmektedir. Tabii burada modülatörün manyetosferdeki parçacıklar ve şiddetli manyetik alan ile etkileşimi ciddi sorunlara neden olabilir. Bununla birlikte, sınırlanmış plazma veya elektro-optik malzemelerden üretilmiş bazı küçük modülatörlerin manyetosfere enjeksiyonu gibi muhtemel çözümler de olabilir.

Olası bir modülatörün de atarcanın emisyon konisini senkronize olarak takip eden bir uydu olabileceği düşünülebilir. Ancak 90°'ye yakın eğim açılarında ve hızlı dönen atarcalarda uydunun emisyon konisini takip edebilmesi çok zor olacağı için burada bir Dyson halkası düşünülebilir. Dyson halkası emisyon konisinin sürekli izlenmesi ve yayının modülasyonu için uygun olabilir. Halka benzeri bir yapı radyo emisyon yüksekliğinde inşa edilebilir ve yörüngede kalmak için belirli bir hızda hareket etmesi gerekmez. Burada çeşitli eğim açılarına göre birden fazla Dyson halkası düşünülebilir, fakat atarcayı merkezinde bulundurmayan halkaların üzerindeki büyük kütle çekimi nedeniyle dengede durmaları da çok zor olacaktır. Manyetosferdeki bir anlık kararsızlık veya uzay çöplerinin çarpması gibi problemler kademeli olarak büyüyebilir ve Dyson halkası, artık merkezinde olmayan atarcaya çarparak yok olabilir.

Bu tür atarcalar için, kütle çekimi ve manyetosferin yıkıcı etkilerine dikkat edilerek, radyo emisyon yüksekliğinden daha büyük yarıçapa sahip bir Dyson küresi inşa edilebilir. Bu tür mega yapıların stabiliteleri incelenirse, Gauss yasasına göre küresel simetrinin önemi ortaya çıkar. Bu yasa, küre içindeki herhangi bir alanın fiilen sıfır olduğunu göstermektedir. Aslında Dyson küresinin içindeki kütleçekim alanı, merkezde bir atarcanın varlığında sıfır olmayabilir, ancak yapıyı oluşturan materyaller mükemmel bir şekilde dağılmışsa kürenin katkısı sıfır olabilir. Bununla birlikte, kütle çekiminin mükemmel simetrisi sağlanmış olsa da büyük miktardaki ışınımsal enerji sistemin kararlılığını etkileyebilecektir. Dyson küresi-atarca sisteminde herhangi bir asimetrik kayma olması durumunda, kürenin iç yüzeyinin atarcaya daha yakın olan kısmı, karşı tarafa göre daha yüksek radyasyon basıncına maruz kalacaktır. Böyle bir durumda Dyson küresi salınım yapmaya başlayacaktır. Salınımların kabul edilebilir bir seviyede olması veya o seviyelere getirilmesi için ekstra enerji harcanması gerekir. Tabii bu tip enerji gereksinimlerinin de gerek Dyson halkası, gerek küresi için yine atarcadan elde edilebileceği düşünülebilir. Sonuç olarak eğim açısının 0° ve 90° değerleri için Dyson halkasının, bu aralıktaki diğer tüm değerleri için de bir Dyson küresinin uygun olacağı düşünülebilir.

Modülatör geometrilerine ek olarak modülasyon uygulanabilirliği de büyük önem taşımaktadır. Mesela bir tür genlik modülasyonu (AM) düşünülebilir. Genlik modülasyonu atım sıfırlaması prensibi ile çalışabilir. Bu prensibe göre radyo dalgaları geçemediğinde 0 ve geçtiğinde 1 şeklinde basit bir sinyal gönderimi düşünebiliriz. Doğal atım sıfırlamaları olamayacak olan asal sayılar dizisi veya belirli sayı dizileri şeklinde gelen atarca sinyalleri, onun gelişmiş bir uygarlık tarafından kontrol edildiğine işaret edebilir. Tabi burada modülatörün atarcanın tüm radyasyonunu emmesi veya saçması gerekir. Genlik yerine frekans modülasyonu (FM) düşünülürse, o da veri hızında bir artış olarak dikkate alınabilir. Frekansı atarcanın dönüş periyodundan çok daha büyük ancak taşıyıcı frekansından daha düşük olan bir sinyal saptanırsa bu da gelişmiş uygarlıklara dair bir kanıt sunabilir.

Tüm bu modülasyon varsayımlarının en önemli parametresi ise modülatör sisteminin ömrüdür. Radyo ışınının radyasyon basıncından bir karşı basınç mekanizması ile kaçınmak gerekecektir. Ayrıca bu tip bir elektromanyetik radyasyon kaynaklı ısınma modülatörün erimesine bile sebep olabilir. Aşırı ısınmanın üstesinde gelebilecek materyallerin kullanılmış olması gereklidir. Atarcanın etrafındaki çok hızlı uzay çöplerinin verebileceği fiziksel hasarlar için modülatörün fiziksel yapısının da oldukça sağlam olması gerekecektir.

Sonuç ve Tartışma

Yayın ağlarının topolojik yapısında atarcalar merkez düğüm, yıldız sistemleri de düğüm noktalarıdır. Atarcaların bu sistemlerdeki gezegenler ile olan bağlantıları radyo dalgalarının ilerlediği emisyon konilerinin içindedir ve bağlantıların sayısı konilerin uzayı tarama hacminin büyüklüğüne ve ilgili ortamın yıldız yoğunluğuna bağlıdır. Tarama hacimlerine dair yapılan hesaplamalar, olası bir uygarlığın hele ki birden fazla atarcayı kontrol etmesi durumunda gökkürelerinin kayda değer bir bölümünü (kendi gökadalarında) tarayabileceğini göstermiştir. 45° 'lik eğim açısına sahip bir atarca 1 kpc uzaklığa kadar yaklaşık 14 milyon yıldız sistemine sinyal yollayabilmektedir.

Peki atarcaların haricinde başka radyo kaynakları da haberleşme için düşünülmüş olabilir mi? Örneğin yıldız benzeri radyo kaynağı olarak adlandırılan, aktif galaksi çekirdekleri olan kuasarlar doğal olarak bu amaçla kullanılamaz. Atarcaların hayatlarının kısa bir bölümü olan magnetarlar için de aynısı geçerlidir. Bir nötron yıldızının spin, sıcaklık ve manyetik alanı kritik bir eşik değerine ulaştığı zaman, mevcut manyetik alan değerini bin kat arttırabilen bir manyetohidrodinamik durum meydana gelir ve magnetar oluşur. Böylesine büyük bir manyetik alanın tek bir elektron için dahi sorun olabileceği göz önünde bulundurulursa, etrafındaki her şeyi yok etmesi kaçınılmazdır. Civarındaki yıldızdan madde çalan her atarcanın bir magnetara dönüşme durumu olabilir. Ayrıca kütle aktarım diskleri de atarcanın etrafına modülatör inşa edilmesine engel olacaktır.

Atarcaların uzayın ne kadarını tarayacağı ve etraflarında nasıl modülatörler olabileceğine ek olarak, atarcalardan yollanan düzenlenmiş sinyalin hedef gezegendeki uygarlık (mesela biz) tarafından çözülebilmesi gerekir. Atarcaların radyo yayınları yıldızlararası ortamdan etkilenir. Ayrıca kontrol edilen atarcaların radyo sinyallerinin saptanması da dispersiyon, saçılma ve uzayın arkaplan radyo yayınından etkilenir. Sinyali alan uygarlığın bu etkileri sinyalden ayıklayabilmesi gereklidir.

Bugüne kadar keşfettiğimiz atarcalar gökadamızdaki toplam popülasyonun küçük bir kısmıdır. Yine de keşfedilen binlerce atarcanın hiçbirinden Dünya dışı akıllı yaşama dair veriler elde edilememiştir. Belki de bu, gökadamızda Tip-1 ve Tip-2 arasında hiçbir uygarlığın olmadığı yönünde bir veridir. Tabi ki bulunan atarcaların sayısının az olduğu hesaba katılırsa bu durum ileride değişebilir.

Atarcalarla kurulabilecek bir yayın ağının düğüm sayısı o kadar fazladır ki, bu sayı Güneş benzeri yıldızların yaşanabilir bölgelerindeki Dünya benzeri gezegenlerin sayısına yakın olarak kabul edilebilir. Üstelik bu sayı bir alt sınırdır çünkü yaşama elverişli başka gezegenlerin olabileceği yerler olan gaz devlerinin çevreleri ve en yaygın yıldız türü olan kırmızı cücelerin çevreleri hesaba katılmamıştır. Gelecekte yayın ağları üzerine topolojik ve dinamik analizlerin geliştirilmesi belki de en çok merak edilen sorunun cevabına bir katkı sağlayabilir: Evrende yalnız mıyız?