Rider på bølgen af ​​en supernova for at blive interstellar

Når det kommer til de udfordringer, som interstellar rejser, der er ingen nemme svar. Afstandene er enorme, mængden af ​​energi, der skal til for at gennemføre rejsen, er enorm, og de involverede tidsskalaer er (ingen ordspil!) astronomiske. Men hvad hvis der var en måde at rejse mellem stjerner ved hjælp af skibe, der udnytter naturfænomener til at nå relativistiske hastigheder (en brøkdel af lysets hastighed)?

Allerede, forskere har identificeret situationer, hvor objekter i universet er i stand til at gøre dette - inklusive hyperhastighedsstjerner og meteorer accelereret af supernovaeksplosioner. Går nærmere ind på dette, Harvard-professorerne Manasvi Lingam og Abraham Loeb undersøgte for nylig, hvordan interstellare rumfartøjer kunne udnytte bølgerne produceret af en supernovaeksplosion på samme måde, som sejlskibe udnytter vinden.

Undersøgelsen, der beskriver deres forskning, "Fremdrift af rumfartøjer til relativistiske hastigheder ved hjælp af naturlige astrofysiske kilder, " optrådte for nylig online og var også genstand for en artikel på Scientific American . Som de forklarer i deres undersøgelse, det er muligt, at en tilstrækkelig avanceret civilisation kunne bruge de eksplosioner af energi, der frigives af supernovaer, til at accelerere rumfartøjer til relativistiske hastigheder.

Disse rumfartøjer ville være i stand til at udnytte den eksplosive kraft ved hjælp af et let sejl (AKA et solsejl) eller et magnetisk sejl, to fremdriftskoncepter, der er blevet udforsket indgående af astrofysikere. Disse koncepter er afhængige af den elektromagnetiske stråling, der genereres af solen, for at skabe tryk mod et stærkt reflekterende sejl, dermed generere fremdrift på en måde, der ikke kræver motorer eller drivmiddel.

Da drivmiddel er en af ​​de væsentligste bidragydere til et rumfartøjs samlede masse, lette sejl/magnetiske sejlkoncepter har fordelen ved at være meget lettere end konventionelle rumfartøjer – og derfor, meget billigere at sende ud i rummet. En anden mulighed er at stole på rettet energi (lasere) for at accelerere denne slags rumfartøjer, giver den mulighed for at opnå meget højere hastigheder end hvad der ville være muligt med solstråling alene.

Prof. Loeb, der ud over at være Frank D. Baird Jr. professor i naturvidenskab ved Harvard University, er også formand for Breakthrough Starshots rådgivende udvalg. Som en del af nonprofitorganisationen Breakthrough Initiatives, Starshot arbejder i øjeblikket på at skabe et let sejl, der vil blive accelereret af lasere til en hastighed på 20 % af lysets hastighed – hvilket gør det muligt for det at tage turen til Alpha Centauri på kun 20 år.

Som Loeb fortalte Universe Today via e-mail, det var mens han overvejede, hvordan et sådant rumfartøj kunne accelereres naturligt, at tanken om at bruge supernova opstod:

"Tilbage i december 2019, min kone og to døtre var på rejse, og jeg havde den luksus at blive alene hjemme i en uge og tænke på videnskab. Mens du går i bad, Jeg tænkte på, hvordan solen ikke er effektiv til at affyre lette sejl til høj hastighed, men en lysere lyskilde kan være. Jeg fulgte denne tanke med detaljerede beregninger af supernovaer, som er milliarder af gange lysere end solen i en uge, og indså, at lyssejl med eksisterende parametre kan nå lysets hastighed, hvis de er strategisk placeret i forvejen omkring den massive stjerne, der er ved at eksplodere."

Oprindeligt, Loeb forklarede denne idé i en artikel, der dukkede op i Scientific American den 6. februar, 2020, med titlen "Surfing a Supernova." Den originale artikel er også tilgængelig på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) hjemmeside. Som han argumenterede der, en supernova ville være i stand til at accelerere et let sejl, der vejer "mindre end et halvt gram pr. kvadratmeter til relativistiske hastigheder, "selvom det var millioner af kilometer væk.

Kort fortalt, energien og lysstyrken, der genereres af en supernova, svarer til, hvad en milliard sole ville producere i en gennemsnitlig måned. Mens solvind kun ville være i stand til at skubbe et let sejl op til en tusindedel af lysets hastighed (0,01 % eller 0,001 c), en supernova kunne nemt accelerere et sejl til en tiendedel af lysets hastighed (0,1 c).

"Min samarbejdspartner, Manasvi Lingam, så min kommentar og foreslog, at vi skulle skrive en fuldgyldig videnskabelig artikel om emnet, der undersøger muligheden for at affyre lette sejl til lysets hastighed omkring andre lyse kilder, såvel, såsom sorte huller eller pulsarer, " sagde Loeb. "Jeg delte mine notater med ham, og de udså vores samarbejdspapir."

For at teste denne hypotese, Lingam og Loeb overvejede, hvordan et let sejl kunne accelereres ved eksplosionen af ​​en række astrofysiske objekter. Dette omfattede massive stjerner, mikrokvasarer, supernovaer, pulsarvindtåger, og aktive galaktiske kerner. Som Lingam, hvem var hovedforfatteren på det resulterende papir, forklaret til Universe Today via e-mail:

"Vi udviklede matematiske modeller til at bestemme den maksimale hastighed, der kan opnås med lette sejl og elektriske sejl. De maksimale hastigheder varierede afhængigt af det anvendte fremdriftssystem, såvel som de astrofysiske objekter i betragtning."

For enhver, der har midlerne, fordelene ved denne fremgangsmåde er indlysende. Sammenlignet med konventionelle lette sejl og magnetiske sejl, et sejl, der udnytter det boost, som en eksploderende stjerne giver, ville være i stand til at nå relativistiske hastigheder uden behov for dyr infrastruktur (dvs. et stort laserarray).

Selvfølgelig, ulemperne ved en sådan metode er også indlysende. Til at begynde med, der er spørgsmålet om timing. Ikke alene er supernovaer en sjælden forekomst; videnskabsmænd er ikke i stand til nøjagtigt at forudsige dem med andet end en stor fejlmargin - ofte millioner af år. Enhver, der håber på at drage fordel af eksploderende stjerner, skal være i stand til at foretage mere nøjagtige skøn og være villige til at vente meget længe.

Men som Lingam og Loeb udforskede, ulemperne rækker ud over dette til at omfatte de særlige farer skabt af supernovaer. Som Loeb antydede:

"De største udfordringer er friktion med den omgivende gas, som kan være tæt i nærheden af ​​en massiv stjerne på grund af massetab ved vind. Man kan overvinde udfordringen ved at folde sejlet under hele rejsen undtagen i opsendelsesperioden, hvor åbningen af ​​sejlet kan udløses af supernovaens lysglimt."

Oven i købet, der er tekniske og designmæssige udfordringer, der skal løses på forhånd. Først, Sejlene skal være lavet af stærkt reflekterende materiale for at undgå at absorbere for meget varme og brænde op. Sekund, de ville også skulle placeres i en foldet konfiguration, indtil stjernen eksploderer for at forhindre dem i at blive skubbet væk fra deres startpunkt af solstråling.

Endelig, sejlets accelerationsvej skal vælges omhyggeligt på forhånd for at undgå eventuelle forhindringer og minimere risikoen for kollision med store objekter (som asteroider). Til sidst, selve sejlet skal have en form for afskærmning eller konfiguration for at beskytte det mod gas og faste partikler i det interstellare rum. I betragtning af at sejlet vil sejle med en utrolig høj hastighed, selv de mindste partikler ville udgøre en ekstrem kollisionsrisiko.

Som Lingam forklarede, deres resultater viser, at disse udfordringer er overkommelige:

"Der er mange udfordringer såsom sejlstabilisering, opretholde høj reflektans og forhindre opvarmning, og undgå skader, mens de rejser i kildemiljøet såvel som det interstellare medium. De fleste af disse problemer kan overvindes, i hvert fald i princippet, ved at bruge elektriske sejl i stedet for lette sejl. Alternativt hvis man beslutter sig for at holde sig til lette sejl, så bliver man nødt til at folde sejlet under nogle stadier af rejsen, vælg en usædvanlig sejlarkitektur, og stole på nanofotoniske strukturer for at forbedre stabiliteten."

Kort sagt, deres resultater viser, at en tilstrækkelig avanceret art ville være i stand til at placere lette sejl/magnetiske sejl omkring døende stjerner, så de kunne accelereres, når stjernen eksploderer. Disse sejl kunne tjene som budbringerfartøjer, demonstrerer eksistensen af ​​avancerede civilisationer ved at rejse til beboede stjernesystemer.

I denne henseende, gennemførligheden af ​​dette interstellare koncept kan have konsekvenser i den igangværende Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI). Som Loeb og kolleger har hævdet i tidligere undersøgelser, muligheden for rettet energifremdrift betyder, at vildfarne glimt af laseraktivitet kan tolkes som et tegn på teknologisk aktivitet (AKA teknosignaturer).

"Dette konceptuelle paradigme afspejler ånden i Dyson-sfærer, de megastrukturer, som Freeman Dyson har antaget for at høste energien fra stjerner, der sandsynligvis ikke vil eksplodere, " sagde Loeb. "Hvis vi er heldige at have mange teknologiske civilisationer i vores galakse, der kan være sværme af lette sejl omkring massive stjerner, venter tålmodigt på deres eksplosioner."

"Ved at søge efter teknosignaturer, vores arbejde tyder på, at man kan se i nærheden af ​​højenergiske astrofysiske kilder såsom supernovaer og kvasarer efter radiosignaler, etc, " tilføjede Lingam. "Selvfølgelig, sandsynligheden for succes er helt afhængig af, om sådanne avancerede teknologier findes - dette er et spørgsmål, som vi ikke har noget svar på endnu."

Indtil videre, det ser ud til, at Fermi Paradox kommer til at holde ud lidt endnu. Men med flere ting at være på udkig efter, og med næste generations teleskoper, der kommer online meget snart, vi er godt rustet til at finde beviser for udenjordisk intelligens (hvis der er nogen at finde).