Brug af sorte huller til at erobre rummet:Halo-drevet

Ideen om at rejse til et andet stjernesystem har været folks drøm længe før de første raketter og astronauter blev sendt til rummet. Men på trods af alle de fremskridt, vi har gjort siden begyndelsen af ​​rumalderen, interstellar rejse forbliver netop det – en drøm. Mens teoretiske begreber er blevet foreslået, spørgsmål om omkostninger, rejsetid og brændstof er fortsat meget problematisk.

En masse forhåbninger afhænger i øjeblikket af brugen af ​​rettet energi og lyssejl til at skubbe små rumfartøjer til relativistiske hastigheder. Men hvad nu hvis der var en måde at lave større rumfartøjer hurtigt nok til at udføre interstellare rejser? Ifølge prof. David Kipping, lederen af ​​Columbia Universitys Cool Worlds laboratorium, fremtidige rumfartøjer kunne stole på et halodrev, som bruger gravitationskraften fra et sort hul til at nå utrolige hastigheder.

Prof. Kipping beskrev dette koncept i en nylig undersøgelse, der udkom online (fortrykket er også tilgængeligt på Cool Worlds hjemmeside). I det, Kipping tog fat på en af ​​de største udfordringer ved udforskning af rummet, hvilket er den store mængde tid og energi, det ville tage at sende et rumfartøj på en mission for at udforske ud over vores solsystem.

Kipping fortalte Universe Today via e-mail:"Interstellar rejser er en af ​​de mest udfordrende tekniske bedrifter, vi kan forestille os. Mens vi kan forestille os at drive mellem stjernerne over millioner af år - hvilket er legitimt interstellar rejse - for at opnå rejser på tidsskalaer af århundreder eller mindre kræver relativistisk fremdrift."

Som Kipping udtrykte det, relativistisk fremdrift (eller acceleration til en brøkdel af lysets hastighed) er meget dyrt i forhold til energi. Eksisterende rumfartøjer har simpelthen ikke brændstofkapaciteten til at komme op på den slags hastigheder, og mangel på detonerende atomvåben for at generere fremstød à la Project Orion, eller bygge en fusion ramjet à la Project Daedalus, der er ikke mange muligheder.

I de seneste år, opmærksomheden er flyttet mod ideen om at bruge lyssejl og nanofartøjer til at udføre interstellare missioner. Et velkendt eksempel er Breakthrough Starshot, et initiativ, der har til formål at sende et rumfartøj i smartphonestørrelse til Alpha Centauri inden for vores levetid. Ved hjælp af et kraftfuldt laserarray, lyssejlet ville blive accelereret til hastigheder på op til 20 procent af lysets hastighed – og dermed klare turen på 20 år.

"Men selv her, du taler om adskillige terrajoules energi til det mest minimalistiske (et gram-masse) rumfartøj, man kan tænke sig, " sagde Kipping. "Det er den kumulative energiproduktion fra atomkraftværker, der kører i uger i træk... så det er derfor, det er svært."

Til dette, Kipping foreslår en modificeret version af "Dyson Slingshot, "en idé foreslået af den ærede teoretiske fysiker Freeman Dyson, teoretikeren bag Dyson-sfæren. I bogen fra 1963 Interstellar kommunikation (Kapitel 12:"Gravitationsmaskiner"), Dyson beskrev, hvordan rumfartøjer kunne slynge rundt om kompakte binære stjerner for at få et betydeligt løft i hastigheden.

Som Dyson beskrev det, et skib ville blive sendt til et kompakt binært system, hvor det ville udføre en tyngdekraftsassistende manøvre. Dette ville bestå i, at rumskibet opfanger fart fra binærens intense tyngdekraft, at lægge ækvivalenten til det dobbelte af deres rotationshastighed til dens egen, og bliver derefter slynget ud af systemet.

Mens udsigten til at udnytte denne form for energi for fremdriftens skyld var yderst teoretisk på Dysons tid (og stadig er det), Dyson tilbød to grunde til, hvorfor "tyngdekraftsmaskiner" var værd at udforske:

"Først, hvis vores art fortsætter med at udvide sin befolkning og sin teknologi i en eksponentiel hastighed, der kan komme et tidspunkt i en fjern fremtid, hvor ingeniørarbejde i astronomisk skala kan være både gennemførligt og nødvendigt. Sekund, hvis vi søger efter tegn på teknologisk avanceret liv, der allerede eksisterer andre steder i universet, det er nyttigt at overveje, hvilken slags observerbare fænomener en virkelig avanceret teknologi kan være i stand til at frembringe."

Kort sagt, gravitationsmaskiner er værd at studere, hvis de bliver mulige en dag, og fordi denne undersøgelse kunne give os mulighed for at spotte mulige udenjordiske intelligenser (ETI'er) ved at detektere de teknosignaturer, som sådanne maskiner ville skabe. Udvider dette, Kipping overvejer, hvordan sorte huller, især dem, der findes i binære par, kunne udgøre endnu kraftigere gravitationsslyngeskud.

Dette forslag er delvist baseret på den nylige succes for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som har detekteret flere gravitationsbølgesignaler siden 2016. Ifølge de seneste estimater baseret på disse detektioner, der kan være så mange som 100 millioner sorte huller alene i Mælkevejsgalaksen.

Hvor binære filer forekommer, de besidder en utrolig mængde rotationsenergi, som er resultatet af deres spin og den måde, de hurtigt kredser om hinanden. Ud over, som Kipping noter, sorte huller kan også fungere som et gravitationsspejl - hvor fotoner rettet mod kanten af ​​begivenhedshorisonten vil bøje sig rundt og komme lige tilbage ved kilden. Som Kipping udtrykte det:

"Så det binære sorte hul er i virkeligheden et par gigantiske spejle, der cirkler rundt om hinanden med potentielt høj hastighed. Halodrevet udnytter dette ved at kaste fotoner ud af "spejlet", når spejlet nærmer sig dig, fotonerne hopper tilbage, skubber dig videre, men også stjæle noget af energien fra selve det sorte huls binære (tænk på, hvordan en pingpongbold kastet mod en bevægelig væg ville komme hurtigere tilbage). Ved at bruge denne opsætning, man kan høste den binære sorte huls energi til fremdrift."

Denne fremdriftsmetode byder på flere åbenlyse fordele. Til at begynde med, det giver brugerne mulighed for at rejse med relativistiske hastigheder uden behov for brændstof, som i øjeblikket tegner sig for størstedelen af ​​løfterakettens masse. Og der er mange, mange sorte huller, der findes i hele Mælkevejen, som kunne fungere som et netværk for relativistiske rumrejser.

Hvad mere er, videnskabsmænd har allerede set kraften i gravitationsslyngeshots takket være opdagelsen af ​​hyperhastighedsstjerner. Ifølge forskning fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), disse stjerner er et resultat af galaktiske fusioner og interaktion med massive sorte huller, som sparker dem ud af deres galakser med en tiendedel til en tredjedel af lysets hastighed - omkring 30, 000 til 100, 000 km/s (18, 600 til 62, 000 mps).

Men selvfølgelig, konceptet byder på utallige udfordringer og mere end nogle få ulemper. Ud over at bygge rumfartøjer, der kan tåle at blive slynget rundt i begivenhedshorisonten af ​​et sort hul, der kræves en enorm mængde præcision – ellers, skibet og besætningen (hvis det har en) kunne trækkes fra hinanden i maven af ​​det sorte hul. Derudover der er simpelthen et spørgsmål om at nå en:

"[Den] ting har en enorm ulempe for os, idet vi først skal komme til et af disse sorte huller. Jeg har en tendens til at tænke på det som et interstellart motorvejssystem – du skal betale en engangsafgift for at komme videre motorvejen, men når du først er på, du kan ride på tværs af galaksen, så meget du vil uden at bruge mere brændstof."

Udfordringen med, hvordan menneskeheden kan gå om at nå det nærmeste egnede sorte hul, vil være emnet for Kippings næste papir, indikerede han. Og mens en idé som denne er omtrent lige så fjern for os som at bygge en Dyson-sfære eller bruge sorte huller til at drive rumskibe, det giver nogle ret spændende muligheder for fremtiden.

Kort sagt, konceptet med en sort huls gravitationsmaskine præsenterer menneskeheden for en plausibel vej til at blive en interstellar art. I mellemtiden, undersøgelsen af ​​konceptet vil give SETI-forskere en anden mulig teknosignatur at kigge efter. Så indtil den dag kommer, hvor vi kan prøve dette selv, vi vil være i stand til at se, om nogen andre arter allerede har fået det til at fungere.