W zeszłym roku słynny fizyk teoretyczny Stephen Hawking i rosyjski miliarder Yuri Milner ogłosili ambitny plan wystrzelenia niewielkiego statku kosmicznego do systemu Alpha Centauri. Oczywiście tak ambitny plan wymaga poszukiwania nie mniej ambitnych rozwiązań. Na przykład jeden z nierozwiązanych problemów dotyczy tego, jak statek kosmiczny poruszający się z jedną piątą prędkości światła może się zatrzymać po dotarciu do celu. Czy w ogóle będzie zdolny do takiego manewru?
Wydaje się, że kilku europejskich naukowców znalazło właściwą odpowiedź na to pytanie. W artykule opublikowanym w The Astrophysical Journal Letters, fizyk Rene Heller z Instytutu Maxa Plancka i informatyk Michael Hippke omawiają, w jaki sposób można wykorzystać promieniowanie i grawitację gwiazd Alpha Centauri do spowolnienia statku kosmicznego. Według naukowców, zamiast po prostu przemykać obok, mały statek kosmiczny wyposażony w lekki żagiel może zwolnić na tyle, aby szczegółowo zbadać układ potrójny gwiazd i być może nawet podobną do Ziemi planetę Proxima b, znajdującą się w pobliżu jednej z gwiazd tego układu.
Przypomnijmy, że w ramach Breakthrough Starshot Initiative Milner planuje zainwestować 100 milionów dolarów w opracowanie ultralekkiego autonomicznego statku kosmicznego z lekkim żaglem, który będzie w stanie przyspieszyć do 1/5 prędkości światła (około 60000 km / s). Dzięki temu zautomatyzowana sonda będzie w stanie dotrzeć do Alfa Centauri - najbliższego układu gwiazdowego Ziemi - już za 20 lat, a nie za 100 000, jak ma to miejsce w przypadku tradycyjnych akceleratorów chemicznych.
Zgodnie z pierwotnym planem Milnera i Hawkinga, maleńka sonda miała być przymocowana do niewielkiego, kilkumetrowego żagla światła, kontrolowanego przez szereg fazowanych laserów. Energia generowana przez te lasery teoretycznie wystarczyłaby, aby przyspieszyć maleńką sondę do prędkości znacznie wyższych niż może to wykazać dzisiejszy najszybszy statek kosmiczny.
Render proponowanej technologii żagli lekkich
Nie jest to jednak jedyny zaproponowany schemat realizacji tego projektu. Według wersji Hellera i Hippke, użycie większego żagla „fotonowego” wyeliminowałoby potrzebę stosowania macierzy laserowej. W tym przypadku sama sonda będzie miała tylko kilka centymetrów i waży tylko kilka gramów. Aby przyspieszyć i wejść w przestrzeń międzygwiezdną, statek będzie wyposażony w kilka dużych, ale jednocześnie bardzo lekkich, cienkich i mocnych żagli. Zgodnie ze scenariuszem zaproponowanym przez europejskich naukowców sonda skieruje promieniowanie naszego Słońca w stronę Alfa Centauri. Po osiągnięciu wymaganego poziomu bezwładności urządzenie złoży żagle i będzie kontynuować podróż w kierunku sąsiedniego układu gwiezdnego.
Naukowcy uważają, że w tym przypadku sonda będzie w stanie rozwinąć 4,6 procent prędkości światła i za około 95 lat osiągnie Alpha Centauri. Tak, to prawie pięć razy dłużej niż w pierwotnym planie Milnera i Hawkinga, ale w teorii znacznie uprości zadanie zatrzymania sondy we właściwym miejscu.
Film promocyjny:
„Podróż międzygwiezdna do systemu Alfa Centauri prawdopodobnie odbędzie się z prędkością, która skróci czas podróży do mniej niż tysiąca, a najlepiej poniżej stu lat. Przy tej prędkości statek kosmiczny będzie potrzebował niewiarygodnie dużej ilości energii, aby zwolnić i osiągnąć pożądane orbity”- mówi Heller.
„Korzystanie z dowolnego rodzaju paliwa tylko skomplikuje projekt jako całość. Jeśli statek potrzebuje paliwa na pokładzie, to sam w tym przypadku będzie zbyt ciężki, co z kolei tylko zwiększy zapotrzebowanie na jeszcze większy zapas paliwa”.
Biorąc pod uwagę te ograniczenia, a także brak w tej chwili odpowiedniego rozwiązania, naukowcy sugerują, że sonda w tym przypadku po prostu przeleci obok Alpha Centauri, podobnie jak miało to miejsce w przypadku sondy New Horizons, która przeleciała obok Plutona. Ale znowu, jeśli weźmiemy pod uwagę różnicę prędkości, sonda, w przeciwieństwie do "New Horizons", nie będzie w stanie zapewnić przynajmniej niektórych mniej lub bardziej dokładnych pomiarów tego gwiezdnego układu. Na szczęście, zdaniem dwóch naukowców, istnieje opcja, która teoretycznie nie tylko pozwoli statkowi kosmicznemu zwolnić do akceptowalnej prędkości w pożądanym punkcie, ale także przeprowadzi szczegółowe badania systemu Alpha Centauri.
„Znaleźliśmy metodę spowolnienia statku kosmicznego przy użyciu energii samej gwiazdy. Lekkie cząsteczki można wykorzystać do spowolnienia lekkiego żagla. W takim przypadku na pokładzie nie jest wymagane dodatkowe paliwo. A sam plan jako całość wpisuje się w ogólną koncepcję zaproponowaną przez Breakthrough Starshot Initiative”.
Animacja „fotograwitacji” gwiazdy Alpha Centauri A
Aby wdrożenie zakończyło się sukcesem, konieczne jest wymyślenie sposobu, w jaki urządzenie będzie mogło ponownie rozłożyć żagle po przybyciu do systemu. W takim przypadku promieniowanie emanujące z układu wytworzy niezbędne ciśnienie, które spowolni sondę. Dzięki symulacjom komputerowym Heller i Hippke obliczyli, że przy sondzie ważącej 100 gram powierzchnia żagla wyniesie około 100 000 metrów kwadratowych (około 14 boisk piłkarskich). Po dotarciu do systemu siła hamowania promieniowania z Alpha Centauri na żaglu wzrośnie. Symulacje komputerowe wskazują, że będzie wystarczająca siła, aby skutecznie spowolnić statek. Innymi słowy, ta sama fizyka, która będzie odpowiedzialna za popychanie sondy w kierunku sąsiedniego systemu, również spowolni pojazd po jego przybyciu w żądane miejsce.
Podczas manewru zwalniania sonda musiałaby zbliżyć się do Alfa Centauri A na odległość pięciu promieni gwiazd (czyli odległość odpowiadającą pięciu promieniom tej gwiazdy) lub około 4 milionów kilometrów, aby zostać zablokowanym na jej orbicie. W tym momencie sonda zacznie zwalniać do około 2,5% prędkości światła. Należy jednak zauważyć, że jeśli spowolnienie nie przyniesie maksymalnej prędkości (4,6% prędkości światła), sonda zostanie wyrzucona z powrotem w przestrzeń międzygwiazdową.
Każda udana podróż zaczyna się od stworzenia mapy. W tym przypadku wszystkie manewry autonomicznego nano-statku kosmicznego są pokazane podczas jego podróży do Alpha Centauri A, z której droga do Alpha Centauri B zajmie tylko cztery dni. Ostateczną misją sondy może być 46-letnia podróż do gwiazdy Proxima Centauri - adresu domowego planety Proxima b
Gdy osiągnie Alpha Centauri A, sonda kosmiczna zostanie przechwycona przez jej grawitację, której moc można wykorzystać do dalszych manewrów. Na przykład podobne manewry zostały użyte do przyspieszenia sond Voyager 1 i Voyager 2, gdy znajdowały się one jeszcze w Układzie Słonecznym. Teoretycznie autonomiczna sonda mogłaby wejść na orbitę Alfa Centauri A i szukać możliwych egzoplanet. Heller i Hippke opracowali również plan wystrzelenia sondy do układów innych gwiazd - Alfa Centauri B (gwiazda towarzysząca Alfa Centauri A) i Proxima Centauri (odległa trzecia gwiazda układu, znajdująca się 0,22 lat świetlnych, czyli 1,2 biliona kilometrów) z ogólnie przyjętych centrów masy gwiazd A i B. Zgodnie z tym planem lot do Alfa Centauri A zajmie około stu lat, następnie do lotu do Alfa Centauri B potrzeba jeszcze 4 dni,a potem 46 lat w podróży do Proxima Centauri.
A jednak dodatkowy czas spędzony, zdaniem naukowców, może się w pełni opłacić. Jednym z najbardziej pamiętnych odkryć 2016 roku było odkrycie przez astronomów planety podobnej do Ziemi w pobliżu gwiazdy Proxima Centauri. Ostatecznie możliwość „zamknięcia” się w celu zbadania tej planety może okazać się jednym z najbardziej (jeśli nie najważniejszym) wydarzeniem we współczesnej astronomii. Wysłanie zebranych danych o planecie, biorąc pod uwagę odległość do Ziemi, zajmie nieco ponad 4 lata. Jednak na razie to tylko marzenia, bo w tej chwili nie mamy układów, które byłyby jednocześnie na tyle kompaktowe, aby zmieścić się w nanosondach, a jednocześnie mają wystarczającą moc do przesyłania sygnałów na takie odległości.
Brak odpowiedniego nadajnika to nie jedyny problem, który należy rozwiązać wszelkimi sposobami przed wysłaniem sondy w kierunku sąsiedniego układu gwiazd. Równie ważne jest znalezienie rozwiązania i zaprojektowanie odpowiedniego układu zasilania sondy. Niemniej naukowcy nie stracą optymizmu, ponieważ nauka nie stoi w miejscu. Na przykład dobrą wiadomością jest to, że laboratoria opracowały już niektóre z ultralekkich materiałów, które będą potrzebne do realizacji tego projektu.
„Zbudowanie takiego międzygwiazdowego żagla słonecznego może zająć od jednej do dwóch dekad” - komentuje Heller.
Naukowiec dodaje też, że powierzchnia żagla powinna być tak zaprojektowana, aby odbijała fale z niebieskiego i czerwonego pasma widzialnego, a możliwie dalej poza nie.
„Nie mamy jeszcze tej technologii, ale znowu w ciągu ostatnich kilku lat laboratoria naukowe poczyniły bardzo duże postępy, a naukowcy znaleźli materiały, które mogą odbijać do 99,9% ilości światła”.
Heller i Hippke są gotowi przedstawić swoją szczegółową koncepcję zespołowi kierowniczemu Breakthrough Starshot Initiative podczas nadchodzącej Breakthrough Discuss, która odbędzie się w Palo Alto w Ameryce w kwietniu tego roku.
„Naprawdę chcemy poznać ich opinie i opinie na temat naszej propozycji, ponieważ w tej grupie znajdują się między innymi światowi eksperci w rozwijającej się dziedzinie badań nad podróżami międzygwiezdnymi z wykorzystaniem systemów lekkich żagli” - mówi Heller.
NIKOLAY KHIZHNYAK