Napęd halo może przyspieszyć międzygwiezdny statek kosmiczny do prędkości bliskiej prędkości światła

RTG: NASA/CXC/Uniwersytet Amsterdamski/N.Rea et al; Optyczny: DSS

W 2016 roku fizyk Stephen Hawking i miliarder Yuri Milner ogłosili plan podróży do gwiazd. Tak zwany projekt Breakthrough Starshot to program o wartości 100 milionów dolarów mający na celu opracowanie i zademonstrowanie technologii niezbędnych do odwiedzenia pobliskiego układu gwiezdnego. Potencjalne cele obejmują Proxima Centauri, system oddalony o jakieś cztery lata świetlne z kilkoma egzoplanetami, w tym jednym ciałem podobnym do Ziemi, krążącym w strefie nadającej się do zamieszkania.

Plan Hawkinga i Milnera zakładał zbudowanie tysięcy maleńkich statków kosmicznych wielkości mikroczipów i wykorzystanie światła do przyspieszenia ich do prędkości relatywistycznej – tak bliskiej prędkości światła. Duża liczba zwiększa szanse, że przynajmniej jeden dotrze bezpiecznie. Każdy starchip byłby przymocowany do lekkiego żagla wielkości boiska do badmintona, a następnie trafiony potężnymi naziemnymi laserami.

Napęd laserowy ma różne zalety. Najważniejsze jest to, że statek kosmiczny nie potrzebuje żadnego paliwa, co znacznie zmniejsza ich masę. Powinna być również zdolna do rozpędzania żagli świetlnych do prędkości do 20% prędkości światła. W tym tempie skrobia dotarłaby do Proxima Centauri w niecałe 30 lat.

Szczególnie trudne i drogie będzie opracowanie fantastycznie potężnych laserów wymaganych do takiej misji. A to rodzi oczywiste pytanie: czy istnieje inny sposób na osiągnięcie prędkości relatywistycznych?

Dzisiaj otrzymujemy swego rodzaju odpowiedź dzięki pracy Davida Kippinga, astronoma z Columbia University w Nowym Jorku. Kipping wymyślił nowatorską formę grawitacyjnej procy, tej samej techniki, której NASA użyła, na przykład, do wysłania sondy Galileo na Jowisza. Pomysł polega na przyspieszeniu statku kosmicznego, wysyłając go prześlizgując się obok masywnego obiektu, takiego jak planeta. W ten sposób statek kosmiczny kradnie pewną prędkość z ruchu planety, napędzając ją w swojej podróży.

Proce grawitacyjne działają najlepiej wokół bardzo masywnych ciał. W latach 60. fizyk Freeman Dyson obliczył, że czarna dziura może przyspieszyć statek kosmiczny do prędkości relatywistycznych. Jednak siły działające na statek kosmiczny zbliżający się do takiego obiektu prawdopodobnie go zniszczą.

Więc Kipping wymyślił sprytną alternatywę. Jego pomysł polega na wysyłaniu fotonów wokół czarnej dziury, a następnie wykorzystaniu dodatkowej energii, którą uzyskują, do przyspieszenia lekkiego żagla. Energia kinetyczna z czarnej dziury jest przekazywana do wiązki światła w postaci przesunięcia ku niebieskiemu, a po powrocie fotony z recyklingu nie tylko przyspieszają, ale także dodają energii do statku kosmicznego, mówi Kipping.

Proces zależy od niezwykle silnego pola grawitacyjnego wokół czarnej dziury. Ponieważ fotony mają małą, ale mierzalną masę spoczynkową, to pole może zatrzymywać światło na orbicie kołowej.

Praca Kippinga opiera się na nieco innej orbicie, która steruje fotonem emitowanym przez statek kosmiczny wokół czarnej dziury i z powrotem do statku kosmicznego – rodzaj orbity bumerangowej. Podczas tej podróży fotony bumerangu uzyskują energię kinetyczną z ruchu czarnej dziury.

To właśnie ta energia może przyspieszyć statek kosmiczny wyposażony w odpowiedni lekki żagiel. Kipping nazywa to napędem halo. Napęd halo przenosi energię kinetyczną z poruszającej się czarnej dziury do statku kosmicznego za pomocą wspomagania grawitacyjnego, mówi Kipping, wskazując, że statek kosmiczny nie zużywa w tym procesie żadnego własnego paliwa.

Ponieważ napęd halo wykorzystuje ruch czarnej dziury, najlepiej nadaje się do układów podwójnych, w których czarna dziura krąży wokół innego obiektu. Fotony następnie uzyskują energię z ruchu czarnej dziury w odpowiednich punktach jej orbity.

A napęd powinien działać dla każdej masy, która jest znacznie mniejsza niż czarna dziura. Kipping mówi, że mogłoby to pozwolić na pojazdy wielkości planety. Tak więc wystarczająco zaawansowana cywilizacja mogłaby podróżować z relatywistyczną prędkością z jednej części galaktyki do drugiej, przeskakując z jednego układu podwójnego czarnych dziur do drugiego. Zaawansowana cywilizacja może wykorzystać koncepcję lekkiej żeglugi do prowadzenia relatywistycznego i niezwykle wydajnego napędu, mówi.

Ten sam mechanizm może również spowalniać statek kosmiczny. Tak więc ta zaawansowana cywilizacja prawdopodobnie szukałaby par podwójnych systemów czarnych dziur, które działałyby jako akceleratory i spowalniacze.

Droga Mleczna zawiera około 10 miliardów binarnych systemów czarnych dziur. Ale Kipping wskazuje, że prawdopodobnie istnieje tylko ograniczona liczba trajektorii, które łączą je ze sobą, więc te międzygwiezdne autostrady mogą być cennymi regionami.

Oczywiście technologia pozwalająca na wykorzystanie tej koncepcji znacznie przekracza obecnie możliwości ludzkości. Ale astronomowie powinni być w stanie ustalić, gdzie leżą najlepsze międzygwiezdne autostrady, a następnie szukać techno-sygnatur cywilizacji, które mogą je eksploatować.

Wszystko to brzmi jak dobra zabawa, a krytycy mogą twierdzić, że to niewiele więcej niż pożywka dla fanów science fiction. Być może.

Ale koncepcja skrobi jest dyskutowana od dziesięcioleci, zwykle na marginesie nauki. Po ogłoszeniu przez Hawkinga i Milnera projekt nagle zyskał na nogach. Rzeczywiście, pierwsze technologie skrobiowe zostały już przetestowane na niskiej orbicie okołoziemskiej, a pierwszą misję zaplanowano na około 2036 r., co kosztowało od 5 do 10 miliardów dolarów.

To ambitny cel, ale nawet biorąc pod uwagę różne opóźnienia, podróże międzygwiezdne będą prawdopodobnie możliwe w ciągu stu lat od pierwszych wypraw ludzkości w kosmos. To szybki postęp. Sugeruje to, że jakakolwiek cywilizacja, która miałaby choćby niewielki start, mogła poczynić znacznie większe postępy.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1903.03423 : Napęd Halo: bezpaliwowy, relatywistyczny napęd dużych mas za pomocą przetworzonych fotonów bumerangu

ukryć