Полет на волне от взрыва сверхновой

Когда речь заходит о проблемах, связанных с межзвездными путешествиями, легких ответов не существует. Расстояния огромны, количество энергии, необходимой для совершения путешествия, огромно, а временные масштабы астрономические. Но что, если существует способ путешествовать между звездами, используя корабли, которые используют природные явления для достижения релятивистских скоростей?

Ученые уже определили ситуации, в которых объекты во Вселенной способны на это - в том числе гиперскоростные звезды и метеоры, ускоренные взрывами сверхновых. Углубляясь в этот вопрос еще глубже, гарвардские профессора Манасви Лингам и Абрахам Леб недавно исследовали, как межзвездные космические корабли могут использовать волны, вызванные взрывом сверхновой, так же, как парусные корабли используют ветер.

Исследование, которое подробно описывает их исследования, "движение космических аппаратов с релятивистскими скоростями с использованием естественных астрофизических источников", недавно появилось в интернете и также было предметом статьи в Scientific American. Как они объясняют в своем исследовании, вполне возможно, что достаточно развитая цивилизация могла бы использовать взрывы энергии, высвобождаемые сверхновыми, для ускорения космических аппаратов до релятивистских скоростей.

Эти космические аппараты могли бы использовать взрывную силу с помощью легкого паруса (он же солнечный парус) или магнитного паруса - двух концепций движения, которые были подробно исследованы астрофизиками. Эти концепции опираются на электромагнитное излучение, генерируемое солнцем, чтобы создать давление на высоко отражающий парус, таким образом создавая движение которое не требуется двигателей или топлива.

Поскольку топливо является одним из наиболее важных факторов, влияющих на общую массу космического аппарата, концепция легкого паруса/магнитного паруса имеет преимущество в том, что оно намного легче обычного космического аппарата и, следовательно, намного дешевле для запуска в космос. Другая возможность заключается в том, чтобы использовать направленную энергию (лазеры) для ускорения такого типа космических аппаратов, позволяя им достигать скоростей, значительно превышающих те, которые были бы возможны только при солнечном излучении.

Профессор Леб, который помимо того, что является профессором науки Фрэнка Д. Бэрда-младшего в Гарвардском университете, также является председателем Консультативного комитета Breakthrough Starshot. В рамках некоммерческой организации Breakthrough Initiatives Starshot в настоящее время работает над созданием светового паруса, который будет ускоряться лазерами до скоростей около 20% скорости света, что позволит ему совершить путешествие к Альфе Центавра всего за 20 лет.

Как сообщил Лоэб по электронной почте, именно во время размышлений о том, как такой космический корабль может быть ускорен естественным образом, ему пришла в голову идея использования сверхновой:

"В декабре 2019 года я имел возможность остаться дома один на неделю и подумать о науке. Я думал о том, как солнце не эффективно разгоняет легкие паруса до высоких скоростей и что возможно нужен более яркий источник света. Я последовал этой мысли с подробными расчетами сверхновых, которые в миллиарды раз ярче Солнца и в течение недели я понял, что световые паруса с существующими параметрами могут достигать скорости света, если они правильно расположены по времени около массивной звезды, которая вот-вот взорвется."

Первоначально Леб объяснил эту идею в статье, которая появилась в журнале Scientific American 6 февраля, 2020, под названием «Серфинг у сверхновой». Оригинальная статья также доступна на веб-сайте Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики (CfA). Там он утверждал, что сверхновая способна разогнать до релятивистских скоростей легкий парус, который имеет размеры "менее полуметра квадратных метров", даже если он находится на расстоянии миллионов километров.

Проще говоря, энергия и яркость, генерируемые сверхновой, эквивалентны тому, что миллиард наших солнц произвел бы в среднем за месяц. В то время как солнечный ветер мог бы только толкать легкий парус до одной тысячной скорости света (0,01%), сверхновая могла бы легко ускорить парус до одной десятой скорости света (0,1%).

Чтобы проверить эту гипотезу, Лингам и Леб рассмотрели, как легкий парус может быть ускорен взрывом ряда астрофизических объектов. Сюда входили массивные звезды, микроквазары, сверхновые, пульсарные туманности и активные ядра галактик. Как сказал Лингам: «Мы разработали математические модели для определения максимальной скорости, достижимой с помощью легких и электрических парусов. Максимальные скорости варьировались в зависимости от используемой двигательной установки, а также рассматриваемых астрофизических объектов».

Для любого, у кого есть средства, преимущества такого подхода очевидны. По сравнению с обычными легкими парусами и магнитными парусами, парус, который использует преимущества ускорения, обеспечиваемого взрывающейся звездой, мог бы достигать релятивистских скоростей без необходимости в дорогостоящей инфраструктуре.

Конечно, недостатки такого метода также очевидны. Для начала, есть вопрос о сроках. Сверхновые - явление не только редкое; ученые не в состоянии точно предсказать их появление с большой погрешностью - часто на миллионы лет. Любой, кто надеется воспользоваться преимуществами взрывающихся звезд, должен уметь делать более точные оценки и быть готовым ждать очень долго.

Но для исследователей Лингама и Леба недостатки выходят за рамки этого и включают в себя особые опасности, создаваемые сверхновыми. Как указал Леб:

"Основные проблемы - это трение с окружающим газом, который может быть плотным вблизи массивной звезды из-за потери массы ветрами. Можно преодолеть эту проблему, складывая парус на протяжении всего путешествия, за исключением периода запуска, когда открытие паруса может быть вызвано вспышкой сверхновой."

Кроме того, существуют инженерные и конструкторские проблемы, которые необходимо решить заранее. Во-первых, паруса должны быть сделаны из высоко отражающего материала, чтобы избежать поглощения слишком большого количества тепла и их горения. Во-вторых, они также должны быть помещены в сложенную конфигурацию до тех пор, пока звезда не взорвется, чтобы предотвратить их отталкивание от точки запуска солнечной радиацией.

Наконец, траектория разгона паруса должна быть тщательно выбрана заранее, чтобы избежать каких-либо препятствий и свести к минимуму риск столкновения с крупными объектами (например, астероидами). Наконец, сам парус должен иметь какой-то тип экранирования или конфигурации, чтобы защитить его от газа и твердых частиц в межзвездном пространстве. Учитывая, что парус будет двигаться с невероятно высокой скоростью, даже мельчайшие частицы будут представлять чрезвычайный риск столкновения.

Как пояснил Лингам, их результаты показывают, что эти проблемы преодолимы.