sábado, 20 de junho de 2015

Como Ainda Conseguimos Escutar o Sinal Emitido Pelas Naves Voyager Apesar da Enorme Distância Que Nos Separa Delas? [Artigo]

A NASA mantém um conjunto de antenas receptoras chamada de Rede de Espaço Profundo (DSN), composto por antenas instaladas na Califórnia (EUA), Espanha e Austrália - Cada uma separada por 120° de longitude. Sendo assim, sempre haverá uma delas "olhando" para determinada região do espaço.

Cada localidade conta com um conjunto de antenas que medem desde 26 metros até 70 metros de diâmetro. Todas elas são parabólicas, desenho que permite com que o sinal que nela incide seja direcionado para um único ponto receptor no meio da estrutura, aumentando assim sua eficácia.
Hipernovas: Como Ainda Conseguimos Escutar o Sinal Emitido Pelas Naves Voyager Apesar da Enorme Distância Que Nos Separa Delas? [Artigo]


Cada conjunto destas antenas permite que até o mais fraco dos sinais seja detectado. De fato, estimativas sugerem que este sistema de antenas ainda poderia "escutar" as Voyagers por mais 100 anos (embora cientistas acreditem que por volta de 2025, por conta de perda de potência elétrica, as próprias Voyagers deixarão de emitir um sinal detectável).

As naves obtém energia através de decaimento radioativo. Quando elas deixaram a Terra, tinham uma saída de 450 watts. Hoje, no entanto, esta saída está em menos de 250 watts.
Antena de 70m do sistema DSN em Goldstone, Califórnia, EUA.

Quando uma Voyager emite um sinal, através de sua antena de alto ganho apontada diretamente para nós, este sai com uma potência de cerca de 19 watts, mas vai ficando cada vez mais fraco conforme cruza a absurda distância de 16 horas-luz até chegar à Terra. Quando este sinal atinge uma das antenas DSN, não o faz com potência acima de 10^-16 watts ou 0.000000000000001 watts.

Felizmente, as Voyagers transmitem para a Terra através de uma altíssima frequência x-band 8.4GHz, a qual não é comumente empregada por aqui em TV, celulares, GPS, e etc. Desta forma este sinal não sofre muito de interferência, que poderia fazer com que a coisa ficasse bem mais difícil.

Adendo:
Para quem gosta de detalhes técnicos, achei estas especificações (em inglês) à respeito das capacidades de transmissão e recepção dos equipamentos envolvidos, tanto nas Voyagers quanto no sistema DSN. Puro "nerdgasmo":

Voyager I and II were equipped with a redundant pair of transponders for radio system.
S-Band: 9 and 26Watt selectable (2115MHz / 2295MHz), Antenna Gain is 36dB.
X-Band: 12 and 22Watt selectable (8415MHz), Antenna Gain is 47dB.
The antenna is 3.66m diameter parabolic High Gain Antenna (HGA).
We receive Voyager’s signals from Earth via big DSN dish antennas.
One of them has 70m diameter and 66dB transmitting, 73.8dB receiving gain.

TODAY (2015-03-15)
(1AU is equal to Earth-Sun distance)

Voyager I distance is;
19,550,000,000 km (130.7 AU) from Earth,
19,563,000,000 km (130.8 AU) from Sun.
Roundtrip light time from Earth is 36h: 13m: 44s

Voyager II distance is;
16,132,000,000 km (107.8 AU) from Earth,
16,075,000,000 km (107.4 AU) from Sun,
Roundtrip light time from Earth is 29h:53m:43s

For example:
TODAY, when Voyager (I) sends a signal at 22W (13.42dBW) power:
We can receive the signal power as 7.22e-19Watt (-181.4dBW).
Very weak signal because path losses are too big (316.77 dB).
Voyager I’s data bit rate was 21.6 kbps at the beginning, now it is decreased to 160 bit per second (so slow)
Received energy per bit is 4.5e-21 Joule (-203.4 dBJ)

Yes, NASA DSN antenna can hear this signal.
The situation is similar to that:
If there was a Home Wireless modem 0.1 Watt, 2.4GHz on Neptune and the planet Neptune was on the opposite side of the sun, distance would be 4.7billion km between Earth and Neptune and DSN 70m antenna would receive same level signal power on the Earth!