Förra året tillkännagav den berömda teoretiska fysikern Stephen Hawking och den ryska miljardären Yuri Milner en ambitiös plan för att lansera ett litet rymdskepp till Alpha Centauri-systemet. Naturligtvis kräver en sådan ambitiös plan en sökning efter inte mindre ambitiösa lösningar. Till exempel hänför sig en av de olösta frågorna till hur ett rymdskepp som rör sig med en femtedel ljusets hastighet kan stanna efter att det når sin destination. Kommer han alls kunna göra en sådan manöver?
Ett par europeiska forskare verkar ha hittat rätt svar på denna fråga. I en artikel publicerad i The Astrophysical Journal Letters diskuterar fysiker Rene Heller från Max Planck Institute och datavetenskapsmannen Michael Hippke hur strålningen och tyngdkraften hos Alpha Centauri-stjärnor kan användas för att bromsa ett rymdskepp. Enligt forskare kan ett litet rymdskepp utrustat med ett lätt segel i stället för att bara tippa ner tillräckligt för att studera trippelstjärnsystemet och eventuellt till och med den jordliknande planeten Proxima b som ligger nära en av stjärnorna i detta system.
Kom ihåg att Milner inom ramen för Breakthrough Starshot Initiative planerar att investera 100 miljoner dollar i utvecklingen av ett ultralätt autonomt rymdskepp med ett lätt segel, som kan accelerera till 1/5 ljusets hastighet (cirka 60 000 km / s). Tack vare detta kommer robotproben att nå Alpha Centauri - det närmaste stjärnsystemet till jorden - på bara 20 år, och inte på 100 000, som är fallet med traditionella kemiska acceleratorer.
Enligt Milner och Hawkings ursprungliga plan skulle den lilla sonden fästas på en kompakt, några meter i storlek, ett ljus segel som kontrolleras av en fasad lasersamling. Energin som genereras av dessa lasrar skulle teoretiskt räcka för att påskynda den lilla sonden till hastigheter mycket högre än det snabbaste rymdskeppet idag kan visa.
Återge den föreslagna tekniken för lätt segel
Detta är emellertid inte det enda planen för att genomföra det föreslagna projektet. Enligt Heller och Hippkes version skulle användning av ett större "foton" segel eliminera behovet av att använda en laseruppsättning. I detta fall är själva sonden bara några centimeter stor och väger bara några gram. För att påskynda och komma in i det interstellära utrymmet kommer fartyget att vara utrustat med flera stora, men samtidigt mycket lätta, tunna och starka segel. Enligt det scenario som föreslagits av europeiska forskare kommer sonden att driva strålningen av vår sol mot Alpha Centauri. När den når den erforderliga tröghetsnivån kommer apparaten att fälla ner seglen och fortsätta sin resa mot det angränsande stjärnsystemet.
Forskare tror att sonden i detta fall kommer att kunna utveckla 4,6 procent av ljusets hastighet och om cirka 95 år når Alpha Centauri. Ja, det här är nästan fem gånger längre än i den ursprungliga planen för Milner och Hawking, men i teorin kommer det att förenkla uppgiften att stoppa sonden på rätt plats.
Kampanjvideo:
”Den interstellära resan till Alpha Centauri-systemet kommer förmodligen att äga rum i hastigheter som minskar restiden till mindre än tusen och helst mindre än hundra år. Vid denna hastighet kommer rymdskeppet att behöva en oerhört stor mängd energi för att bromsa ner och nå önskade banor, säger Heller.
”Att använda vilken typ av bränsle som helst kommer bara att komplicera projektet som helhet. Om fartyget behöver bränsle ombord, kommer det självt att vara för tungt i detta fall, vilket i sin tur bara ökar behovet av en ännu större tillgång på bränsle."
Med tanke på dessa begränsningar såväl som avsaknaden av en lämplig lösning för tillfället föreslår forskare att sonden i detta fall helt enkelt kommer att svepa förbi Alpha Centauri, som var fallet med rymdskeppet New Horizons, som flög förbi Pluto. Men återigen, om vi tar hänsyn till skillnaden i hastighet, kommer sonden, till skillnad från "New Horizons", inte att kunna ge åtminstone några mer eller mindre exakta mätningar av detta stjärnsystem. Lyckligtvis finns det enligt de två forskarna ett alternativ som i teorin inte bara tillåter rymdskeppet att bromsa till acceptabla hastigheter vid önskad punkt, utan också genomföra en detaljerad studie av Alpha Centauri-systemet.
”Vi har hittat en metod för att bromsa rymdskeppet med hjälp av själva stjärnan. Ljusa partiklar kan användas för att bromsa det ljusa seglet. I detta fall krävs inget extra bränsle ombord. Och själva planen som helhet passar in i det allmänna konceptet som föreslås av Breakthrough Starshot Initiative."
Animering av "fotogravitational capture" av stjärnan Alpha Centauri A
För att implementeringen ska bli framgångsrik är det nödvändigt att komma fram till ett sätt på vilket enheten kan återfälla ut sina segel vid ankomsten till systemet. I detta fall kommer strålningen som kommer från systemet att skapa det nödvändiga trycket, vilket kommer att bromsa sonden. Tack vare datorsimuleringar beräknade Heller och Hippke att med en sond som väger 100 gram skulle seglingsområdet vara cirka 100 000 kvadratmeter (cirka 14 fotbollsplaner). Vid ankomsten till systemet kommer strålningens bromskraft från Alpha Centauri på seglet att öka. Datorsimuleringar indikerar att det kommer att finnas tillräcklig kraft för att effektivt bromsa fartyget. Med andra ord, samma fysik som kommer att ansvara för att skjuta sonden mot det angränsande systemet kommer också att bromsa fordonet vid dess ankomst till önskad plats.
Under retardationsmanövern skulle sonden behöva närma sig Alpha Centauri A på ett avstånd av fem stjärnradie (det vill säga ett avstånd motsvarande fem radier för denna stjärna), eller cirka 4 miljoner kilometer, för att låsas in i dess bana. Vid denna tidpunkt kommer rymdskeppet att börja retardera till cirka 2,5 procent av ljusets hastighet. Det är dock viktigt att notera här att om retardationen misslyckas med maximal hastighet (4,6 procent av ljusets hastighet) kommer sonden att kastas tillbaka till det interstellära utrymmet.
Varje framgångsrik resa börjar med att skapa en karta. I det här fallet visas alla manövrer för en autonom rymdsnanoapparat på sin resa till Alpha Centauri A, från vilken vägen till Alpha Centauri B kommer att ta bara fyra dagar. Sondens ultimata uppdrag kan vara en 46-årig resa till stjärnan Proxima Centauri, hemadressen för den jordliknande planeten Proxima b
När man når Alpha Centauri A kommer rymdsonden att fångas av sin allvar, vars kraft kan användas för ytterligare manövrer. Liknande manöver, till exempel, användes för att påskynda Voyager 1 och Voyager 2 sonder medan de fortfarande befann sig i solsystemet. I teorin kan den autonoma sonden komma in i bana till Alpha Centauri A och leta efter möjliga exoplaneter. Heller och Hippke utarbetade också en plan för att starta en sond till system av andra stjärnor - Alpha Centauri B (följeslagaren stjärna av Alpha Centauri A) och Proxima Centauri (systemets avlägsna tredje stjärna, som ligger 0,22 ljusår, eller 1,2 biljoner kilometer) från de allmänt accepterade massorna av stjärnorna A och B. Enligt denna plan tar flygningen till Alpha Centauri A ungefär ett sekel, då kommer det att ta ytterligare fyra dagar att flyga till Alpha Centauri B,och sedan 46 år på resan till Proxima Centauri.
Och ändå kan den extra tid som tillbringas enligt forskare betala sig i sin helhet. En av de mest minnesvärda upptäckterna 2016 var astronomernas upptäckt av en jordliknande planet nära stjärnan Proxima Centauri. I slutändan kan möjligheten att "stänga" för att utforska denna planet visa sig vara en av de mest (om inte de mest) betydelsefulla händelserna i modern astronomi. Att skicka insamlade data om planeten, med tanke på avståndet till jorden, kommer att ta lite över fyra år. Men hittills är detta bara drömmar, för just nu har vi inte system som samtidigt skulle vara kompakta nog för att passa på en nanoprobe och samtidigt ha tillräcklig kraft för att överföra signaler över sådana avstånd.
Bristen på en lämplig sändare är långt ifrån det enda problemet som måste lösas med alla medel innan du sänder en sond mot ett angränsande stjärnsystem. Lika viktigt är att hitta en lösning och utforma ett lämpligt kraftsystem för sonden. Ändå kommer forskare inte att förlora optimismen, eftersom vetenskapen inte står stilla. Det är till exempel goda nyheter att laboratorier redan har utvecklat några av de ultralättade materialen som kommer att krävas för att genomföra detta projekt.
"Det kan ta ett till två decennier att bygga ett sådant interstellärt solsegla," kommenterar Heller.
Forskaren tillägger också att ytan på seglet bör utformas på ett sådant sätt att det återspeglar vågorna i det blå och röda intervallet i det synliga spektrumet, och eventuellt längre bortom dem.
"Vi har inte tekniken än, men igen, under de senaste åren har vetenskapslaboratorier gjort mycket framsteg, och forskare har upptäckt material som kan reflektera upp till 99,9% av ljusvolymen."
Heller och Hippke kommer att presentera sitt detaljerade koncept för Breakthrough Starshot Initiative ledarskapsteam vid det kommande Breakthrough Discuss som kommer att hållas i Palo Alto, Amerika i april.
"Vi vill verkligen höra från dem och höra deras åsikter om vårt förslag, eftersom denna grupp bland annat innefattar världsexperter inom det växande området för interstellär reseforskning med lätta segelsystem," säger Heller.
NIKOLAY KHIZHNYAK
