Ludzkość ma możliwości wystrzelenia sond na orbitę wokół pobliskich gwiazd. Ale czy mamy niezbędną cierpliwość?
Podróże międzygwiezdne, które przez wiele lat były podstawą science fiction, mogłyby stać się dziś rzeczywistością - gdyby tylko były pieniądze. Za jedyne 100 milionów dolarów klient może faktycznie kupić najnowszą komercyjną rakietę i podróżować poza Układ Słoneczny. Cierpliwość jest tutaj kluczowa. Jeśli jutro taka rakieta zostanie wystrzelona do najbliższego portu docelowego - potencjalnie nadającej się do zamieszkania egzoplanety Proxima b, niedawno odkrytej w układzie potrójnym gwiazd Alpha Centauri w odległości 4 lat świetlnych od Ziemi - lot zajmie 80 000 lat.
Zamiast wydawać 100 milionów dolarów na tak powolny transport, miliarder-przedsiębiorca Yuri Milner powiedział w kwietniu ubiegłego roku, że wyda te same pieniądze na wymyślenie innego sposobu, aby dostać się do systemu Alpha Centauri w czasie nieprzekraczającym granic ludzkiego życia. Projekt o nazwie Breakthrough Starshot ma na celu odejście od rakiet na całym świecie na rzecz lekkiego żagla - najcieńszej lustrzanej powierzchni napędzanej wiązkami laserowymi w celu przyspieszenia w przestrzeni. Wstępne plany tego projektu przewidują użycie konwencjonalnych rakiet, dzięki którym już na początku lat czterdziestych XX wieku planuje się zainstalowanie na orbicie okołoziemskiej tysięcy czterometrowych lekkich żagli, z których każdy waży tylko jeden gram. Żagle będą zawierać centymetrowe chipy z wbudowanymi kamerami, czujnikami, silnikami odrzutowymi i bateriami. Każdy ultralekki statek kosmiczny zostanie skierowany z orbity Ziemi w kierunku systemu Alpha Centauri za pomocą naziemnego lasera o mocy 100 gigawatów przy 20% prędkości światła. W tym przypadku międzygwiezdny lot trwałby tylko 20 lat, a sondy osiągnęłyby Alfa Centauri w latach 60.
Ale te wysokie prędkości kosztują dużo pieniędzy. Nawet najbardziej skromne szacunki dotyczące projektu Starshot znacznie przekraczają początkowe 100 milionów dolarów Milnera - projekt ten może wymagać 10 miliardów dolarów w ciągu dziesięcioleci lub więcej, głównie ze względu na ogromne koszty budowy naziemnego obiektu laserowego. Najprawdopodobniej nie obejdzie się bez pomocy rządu i współpracy międzynarodowej. Ponadto lekkie żagle, które przetrwają 20-letnią podróż, przemierzą system Centauri tak szybko, że będą miały tylko kilka sekund na uzyskanie zdjęć makro i innych danych dotyczących Proximy b i innych planet w jej pobliżu. Podczas gdy sondy oddalają się w międzygwiezdną ciemność, świetlne żagle będą próbowały przesłać cenne informacje na Ziemię za pomocą wiązek laserowych,którego moc nie przekracza mocy sygnału konwencjonalnego telefonu komórkowego.
Powolna podróż do gwiazd
Niektórzy krytycy uważają tę kapryśną pogoń za Alpha Centauri za złą inwestycję. „Po zapoznaniu się z projektem Starshot uznaliśmy, że marnotrawstwo tego rodzaju pieniędzy na misję przelotową zajmie kilka dziesięcioleci i kilka sekund na zrobienie zdjęć” - mówi niezależny badacz Michael Hippke z Niemiec. Pracując z Rene Heller, astrofizykiem z Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka w Getyndze, Hippke opracował alternatywny program lotu, który, jak powiedział, byłby bardziej przydatny z naukowego punktu widzenia i tańszy. Zamiast budować wielomiliardowy system laserowy w celu przyspieszenia małych żagli świetlnych do prędkości prawie światła i latania nimi raz, Heller i Hippke proponują użycie samego światła gwiazd do wysyłania większych żagli z mniejszą prędkością do wszystkich trzech gwiazd w systemie Alpha Centauri z możliwością „parkowania” na orbitach. Ich odkrycia zostaną opublikowane 1 lutego w Astrophysical Journal Letters.
Istotą ich propozycji jest wykorzystanie nie tylko światła słonecznego do przyspieszenia lekkich żagli opuszczających nasz układ, ale także światła i grawitacji trzech gwiazd układu Alfa Centauri pod koniec lotu. Heller i Hippke obliczyli, że taki rejs można by odbyć na zadziwiająco niskiej gęstości żagla, ważącego około 100 gramów i zajmującego powierzchnię 100 tysięcy metrów kwadratowych (czyli około 15 boisk piłkarskich!). Ten projekt żagla wydaje się wykonalny, biorąc pod uwagę szybki rozwój nauki o materiałach. Stopniowo dostosowując kąt zbliżania się do gwiazd, aby uchwycić większe ciśnienie od nich, taki żagiel może rozwinąć prędkość wystarczającą do zakotwiczenia na dowolnej orbicie w układzie.
Film promocyjny:
Aby dotrzeć do potencjalnie nadającej się do zamieszkania planety Proxima b, takie „fotograwitacyjne” systemy pomocnicze, co dziwne, wymagałyby wysłania najpierw lekkiego żagla do jasnych, podobnych do słońca gwiazd Alfa Centauri A i Alfa Centauri B, pomimo faktu, że znajdują się one dwa biliony kilometrów dalej daleko od nas niż mniejsza i słabsza gwiazda macierzysta planety Proxima b - Proxima Centauri. Wynika to ze spowolnienia spowodowanego wysokim ciśnieniem promieniowania gwiazd Alfa Centauri A i B, a tym samym z szybszego zbliżania się do systemu lekkich żagli dowolnej wielkości. Ale promieniowanie z gwiazd bliźniaczych ma swoje granice; jeśli ogromny żagiel Hellera i Hippke osiągnie prędkość wyższą niż 4,6 procent prędkości światła, po prostu przeskoczy obok układu. Szacują, że lot do Alpha Centauri A i B zajmie prawie sto lat.a potem kolejne 50 lat podróży do miejsca docelowego - stabilnej orbity wokół Proximy.
„Twoja podróż zajęłaby 7 razy dłużej niż 20-letnia misja Starshot, ale możesz spędzić lata lub nawet dekady na dokładnych badaniach, a nie kilka sekund” - mówi Heller. Porównując stosunek czasu badań do czasu podróży w obu przypadkach, Heller dodaje: „Starshot może wykorzystać tylko sto milionową część całej misji na badania w terenie, podczas gdy możemy wykorzystać około setną, a nawet milion razy więcej”. Ponadto, dzięki wykorzystaniu światła słonecznego do wystrzelenia żagla, opcja ta eliminuje potrzebę budowy wielomiliardowego zespołu laserowego.
A jednak ich proponowana 150-letnia podróż nie może rozpocząć się jutro. Propozycja Hellera i Hippke przewiduje między innymi rzadką konfigurację gwiazd w układzie Alfa Centauri, która zdarza się tylko raz na 80 lat, kiedy wszystkie ich orbity znajdują się w tej samej płaszczyźnie, przecinając trajektorię dowolnej sondy z naszego Układu Słonecznego. Następnym razem nastąpi to w 2035 roku, ale w tak krótkim czasie żaden żagiel nie może nawet zbliżyć się do systemu. Heller i Hippke sugerują zaczekanie na następne takie „wyrównanie” w 2115 roku.
Heller powiedział, że wysłanie ich żagli bezpośrednio do Proximy Centauri wymagałoby znacznie niższych prędkości kosmicznych ze względu na słabe ciśnienie promieniowania i siłę hamowania mniejszej z dwóch gwiazd, co doprowadziłoby do całkowitego czasu lotu do pełnego tysiąclecia.
Prosimy o cierpliwość
Hippke widzi wielopokoleniową misję z punktem końcowym na orbicie wokół Alfa Centauri, na którą warto czekać, nawet jeśli nigdy nie widzi jej powrotu. „Nasze dzieci i wnuki otrzymają niesamowite zdjęcia z tych sond kosmicznych. Wyobraź sobie obce rzeki, wulkany, a może nawet egzotyczne życie!” Hippke mówi, że wybranie stuletniej misji otwiera możliwości badania innych pobliskich jasnych gwiazd. Na przykład duża gwiazda Syriusz jest tylko dwa razy dalej niż Alfa Centauri - ale ponieważ świeci około 25 razy jaśniej niż Słońce, jej hamujący wpływ ciśnienia promieniowania jest silniejszy, co zapewni szybsze zbliżanie się do niej lekkich żagli. A jednakZdolność do wysyłania lekkich żagli na orbitę wokół wielu pobliskich gwiazd sugeruje, w perspektywie długoterminowej, naturalny wniosek następnych pokoleń na temat bezpośrednich celów misji Starshot.
Pomimo tych wszystkich zalet, Avi Loeb, astronom z Uniwersytetu Harvarda i przewodniczący naukowego komitetu doradczego projektu Breakthrough Starshot, nie jest przekonany, że ta alternatywna propozycja oferuje rzeczywiste korzyści w porównaniu z planem Starshot, aby użyć lasera klasy gigawatów do wysyłania małych żagli do gwiazd. … „Potrzebny jest bardzo cienki żagiel, aby osiągnąć prędkość bliską prędkości światła przy użyciu światła gwiazd”, mówi Loeb, zauważając, że im niższe ciśnienie od światła słonecznego, tym mniejsza powinna być gęstość lekkiego żagla. Hippke i Heller twierdzą, że teoretycznie ich żagle mogłyby być wykonane z ultralekkich materiałów o wysokiej wytrzymałości, takich jak grafen, ale Loeb wątpi, że utworzy arkusz grafenu o grubości kilku atomów i powierzchni 100 dla sondy międzygwiazdowej.000 metrów kwadratowych będzie łatwiejsze niż budowa ogromnego obiektu laserowego. „Taka powierzchnia jest o rząd wielkości cieńsza niż długość fali światła, które powinna odbijać, a zatem jej współczynnik odbicia będzie niski” - mówi Loeb. „Nie jest możliwe zmniejszenie ciężaru o kilka rzędów wielkości przy jednoczesnym zachowaniu sztywności i współczynnika odbicia materiału żagla”. Innymi słowy, żagiel grafenowy o powierzchni 100 000 metrów kwadratowych może być zbyt kruchy, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.„Taka powierzchnia jest o rząd wielkości cieńsza niż długość fali światła, które powinna odbijać, a zatem jej współczynnik odbicia będzie niski” - mówi Loeb. „Nie jest możliwe zmniejszenie ciężaru o kilka rzędów wielkości przy jednoczesnym zachowaniu sztywności i współczynnika odbicia materiału żagla”. Innymi słowy, żagiel grafenowy o powierzchni 100 000 metrów kwadratowych może być zbyt kruchy, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.„Taka powierzchnia jest o rząd wielkości cieńsza niż długość fali światła, które powinna odbijać, a zatem jej współczynnik odbicia będzie niski” - mówi Loeb. „Nie jest możliwe zmniejszenie ciężaru o kilka rzędów wielkości przy jednoczesnym zachowaniu sztywności i współczynnika odbicia materiału żagla”. Innymi słowy, żagiel grafenowy o powierzchni 100 000 metrów kwadratowych może być zbyt kruchy, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.dlatego jego współczynnik odbicia będzie niski”- mówi Loeb. „Nie jest możliwe zmniejszenie ciężaru o kilka rzędów wielkości przy jednoczesnym zachowaniu sztywności i współczynnika odbicia materiału żagla”. Innymi słowy, żagiel grafenowy o powierzchni 100 000 metrów kwadratowych może być zbyt kruchy, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.dlatego jego współczynnik odbicia będzie niski”- mówi Loeb. „Nie jest możliwe zmniejszenie ciężaru o kilka rzędów wielkości przy jednoczesnym zachowaniu sztywności i współczynnika odbicia materiału żagla”. Innymi słowy, żagiel grafenowy o powierzchni 100 000 metrów kwadratowych może być zbyt kruchy, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.000 metrów kwadratowych może być zbyt słabe, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.000 metrów kwadratowych może być zbyt słabe, aby w rzeczywistości podróżować w kosmos. Ponadto w planach projektu Starshot jest wystrzelenie nie jednego, ale tysięcy żagli, a nawet jeśli każda sonda, która pomyślnie przekroczyła przestrzeń międzygwiazdową, otrzyma tylko kilka sekund na zdjęcia panoramiczne, ich liczba przekroczy to, co można było uzyskać podczas kilku kolejnych lotów.
Według Loeba największym wyzwaniem jest to, czy ambitne plany projektów wielopokoleniowych przetrwają nieuniknione spotkanie z kruchością ludzkiego życia. „Jeśli zignorujesz długość podróży, zawsze możesz użyć konwencjonalnych rakiet i dostać się do systemu Alpha Centauri z niewielkimi stratami w ciągu 80 000 lat” - mówi. „Ale ludzie, którzy pracują nad projektem Starshot, są bardziej ambitni. Chcemy się tam dostać za naszego życia”.
Lee Billings