Hvordan vil vi modtage signaler fra interstellare sonder som Starshot?

Om få årtier, Breakthrough Starshot-initiativet håber at sende et sejlfartøj til det nærliggende system af Alpha Centauri. Ved hjælp af et lyssejl og en laser-array med rettet energi, et lille rumfartøj kunne accelereres til 20 % af lysets hastighed (0,2 c). Dette ville give Starshot mulighed for at tage turen til Alpha Centauri og studere eventuelle exoplaneter der på kun 20 år, dermed opfylde drømmen om interstellar udforskning i vores liv.

Naturligt, denne plan byder på en række tekniske og logistiske udfordringer, en af ​​dem involverer transmission af data tilbage til Jorden. I en nylig undersøgelse, Starshot Systems direktør Dr. Kevin L.G. Parkin analyserer muligheden for at bruge en laser til at sende data tilbage til Jorden. Denne metode, argumenterede Parkin, er den mest effektive måde for menneskeheden at få et glimt af, hvad der ligger hinsides vores solsystem.

Forfatteren til undersøgelsen, Dr. Kevin Parkin, har fungeret som systemdirektør for Breakthrough Starshot siden 2016. Før dette, han blev tildelt Korolev-medaljen af ​​Den Russiske Føderation for Astronautik og Kosmonautik for sit banebrydende arbejde inden for termisk mikrobølgefremdrift. Han grundlagde også det San Francisco-baserede rumfartsfirma Parkin Research, som er specialiseret i udvikling af omkostningsbesparende teknologier.

Løsning af problemet med et kommunikations-downlink, Dr. Parkin søgte at beregne den bedste mulighed for et integreret sejl og rumfartøj (sejlfartøj). Til denne ende, han overvejede muligheden for en stramstrålelaser-sender ombord på Starshot-sejlfartøjet med en diameter på 4,1 m (13,45 fod), som ville begynde at sende til et 30 meter (~100 fod) teleskop på Jorden, når det nåede Alpha Centauri.

Dette array ville tage form af et 100-watt optisk faset array (indlejret i selve sejlet), der bruger lasere til at transformere strøm fra det interstellare medium (ISM). Dr. Parkin forestiller sig, at arrayet vil transmittere data ved en bølgelængde på 1,02 mikrometer, som så ville blive modtaget ved 1,25 mikrometer af teleskopet - hvilket placerer transmissionerne i det nær-infrarøde/nær-ultraviolette spektrum.

Denne type downlink præsenterer mange fordele i forhold til kommunikation, der er afhængig af radiobølge- eller mikrobølgetransmissioner. Som Dr. Parkin fortalte Universe Today via e-mail:

"I forhold til mikrobølger, lasere har tusind gange kortere bølgelængde, og så danne en meget tættere stråle fra Alpha Centauri til Jorden... Fordelen ved at sende 100 watt over hele sejlfartøjets areal er, at den jordbaserede modtager krymper til et 30 meter teleskop, noget, der med stor sandsynlighed vil eksistere om et årti eller to."

Dr. Parkin tilføjede også, at inden for samme tid, forbedringer i filtre og detektorer vil give mulighed for arrays af meter-klasse teleskoper, der kan arbejde sammen for at modtage signaler fra rumfartøjet. Imidlertid, et sådant kommunikationssystem kommer også med sin del af ulemper, hvoraf den ene er direkte relateret til dens tætstrålende natur. I bund og grund, arrayet skal pege præcist mod Jorden, for at dataene kan modtages.

"Hvis sejlfartøjet fornemmer den relative retning af det interstellare medium, der peger tilbage til Jorden (eller, i det mindste, hvor Jorden var, da sejlfartøjet søsatte), " sagde Dr. Parkin. "Derfra, den bliver nødt til at finde solen. Derefter, fordi strålebredden kun er en tiendedel af afstanden fra solen til jorden, sejlfartøjet bliver nødt til at beregne eller finde Jordens relative position og pege mod den."

Imidlertid, dette kan overvindes ved at sende flere rumfartøjer, hvilket er i overensstemmelse med Starshots overordnede vision. Årevis, Breakthrough Initiatives har overvejet, hvordan en flåde af letsejlsslæbte "nanofartøjer", der kun vejer et par gram, kunne muliggøre interstellar rejser og udforskning. Som Dr. Parkin forklarede:"Økonomi foretrækker at lancere lys og ofte, såsom et 4-grams sejlfartøj om ugen (energiomkostningerne er kun $6 mio.). Det betyder, at der ikke kun vil være ét downlink, men mange downlinks. Set fra Jorden, de forskellige sejlfartøjer vil være opstillet hen over himlen, danner en slags rørledning af sejlfartøjer på forskellige stadier af mødet med Alpha Centauri."

En ekstra fordel ved at sende flere rumfartøjer med direkte downlinks, tilføjer Dr. Parkin, er muligheden for tværbindinger mellem dem. I dette scenarie, forbindelsen til Jorden ville blive en egen datapipeline - en pipeline i en pipeline. Dette ville reducere risikoen for at miste væsentlige data og tillade sejlfartøjer, der allerede har passeret gennem Alpha Centauri-systemet, at videresende information til dem, der stadig er på vej.

En sidste anbefaling, Dr. Parkin fremsatte i papiret, var inkluderingen af ​​en distribueret algoritme, der ville tillade rumfartøjet at fungere i tandem og med en vis grad af autonomi, hver ansvarlig for at kortlægge en anden del af Alpha Centauri-systemet. Dr. Parkin indikerer, at dette ville skære ned på "beslutning-handling-cyklussen, " som er utrolig langsom over interstellare afstande:

"Fordelene ved at gøre det er enorme – hele systemet kunne undersøges og kortlægges, før de første data nogensinde når Jorden. det første sejlfartøj kunne se en fjern planet som et lyspunkt, der bevæger sig mellem billeder, og på det grundlag, begrænse dets kredsløb, så det næste sejlfartøj kan manøvrere for at passere på tættere afstand, løsning af overfladedetaljer. Efterfølgende sejlfartøjer kan bygge kort, spor overflade funktioner, og opdage de fleste af planeterne og månerne i systemet over tid."

For at bryde det hele ned, Dr. Parkin forestiller sig en flåde af sejlfartøjer, der udfører automatiserede udforskninger af fjerne stjernesystemer. Den første til at komme ind i systemet ville være ansvarlig for at kortlægge planeterne og månerne, den næste bølge ville karakterisere deres baner, og de, der følger, vil observere dem på tæt hold og kortlægge og overvåge deres overflader.

I denne henseende, konceptet præsenteret her adresserer en af ​​de største udfordringer ved interstellar udforskning, hvilket er vanskeligheden ved at kommunikere med sonder over så store afstande. Prof. Abraham Loeb – Frank B. Baird Jr. professor i videnskab ved Harvard University og formanden for Breakthrough Starshot Advisory Committee – fortalte Universe Today via e-mail:

"Kommunikationsforbindelsen, som Kevins papir omhandler, er en af ​​de største udfordringer for Starshot-programmet. Den store afstand til den nærmeste stjerne, 4,24 lysår, og transmissionens lave effekt, indebærer et svagt signal og dermed en stor modtager på Jorden. Der er ingen mulighed for at sende kommandoer til rumfartøjet i realtid, fordi den korteste to-vejs tur med lyssignaler ville tage 8,48 år."

Endelig, Dr. Parkin adresserede det brændende spørgsmål om, hvad der skal ske, før et projekt af denne art kan realiseres. Mens papiret præsenterer flere kreative løsninger på udfordringen med kommunikation, et af de mest gennemgående problemer, der forhindrer Starshot, er det faktum, at fremtidige fremskridt og innovationer er nødvendige for at bringe det ind i omkostningseffektivitetens område.

"At realisere de fulde kapaciteter af et sejlfartøj som beskrevet her kan tage 100 år, eller det kan være et biprodukt af kommercielt drevet forskning i løbet af de kommende årtier, " sagde han. "Mikrobølgefasede arrays har været i brug i 50 år, men optiske fasede arrays er ikke her endnu, og vil tage meget arbejde at integrere i et keramisk sejl. Strømproduktion fra det interstellare medium er uden tvivl unik for Starshot og kræver forskning, men udbyttet er, at den tilgængelige strøm til downlinket er størrelsesordener større end ellers muligt."

Så igen, ethvert koncept til interstellar eller dybt rumudforskning giver deres del af udfordringer, nogle af dem særligt skræmmende. Og som så mange andre tekniske forhindringer, Starshot-holdet står over for, disse udfordringer har en måde at inspirere til kreative og innovative løsninger. I mellemtiden, alt, hvad vi kan gøre, er at vente og håbe, at fremskridt vil ske og skabe nye muligheder.

Tidligere undersøgelser af Dr. Parkin inkluderer undersøgelsen fra 2018, "Den banebrydende Starshot System Model, " som dukkede op i Acta Astronautica . Dette papir beskriver Starshot-missionen og konceptet i detaljer, og hvordan det ville gavne menneskelig udforskning, ikke kun i det interstellare domæne, men også i solsystemet.