Ta wizualizacja pokazuje dwie łączące się czarne dziury, których duża prędkość mogłaby zwiększyć impuls światła laserowego wokół nich.
(Zdjęcie: © NASA Goddard Space Flight Center)
Przyszłe statki kosmiczne mogłyby wykorzystywać czarne dziury jako potężne platformy startowe do eksploracji gwiazd.
Nowe badanie przewiduje wystrzeliwanie wiązek laserowych, które zakrzywiłyby się wokół czarnej dziury i powróciły z dodatkową energią, aby pomóc statkowi kosmicznemu zbliżyć się do prędkości światła. Astronomowie mogliby szukać oznak, że obce cywilizacje używają takiego „napędu halo”, jak to nazywają badania, sprawdzając, czy pary czarnych dziur łączą się częściej niż oczekiwano.
David Kipping, autor badań, astrofizyk z Columbia University w Nowym Jorku, wpadł na pomysł, aby halo przejechać przez coś, co nazywa „sposobem myślenia gracza”.
„Czasami w grze komputerowej występuje„ exploit ”, hack, który pozwala zrobić coś obezwładnionego, co w innym przypadku byłoby zabronione przez reguły gry”, powiedział Kipping dla Space.com. „W tym przypadku gra jest światem fizycznym i starałem się myśleć o wyczynach, które umożliwiłyby cywilizacji osiągnięcie relatywistycznego lotu w obie strony galaktyki bez ogromnych wydatków na energię, które można naiwnie narzucić”.
Kluczowym wyzwaniem przy użyciu rakiet do latania w kosmosie jest to paliwo, które niosą ze sobą ma masę. Długie podróże wymagają dużej ilości paliwa, co powoduje, że rakiety są ciężkie, co z kolei wymaga więcej paliwa, dzięki czemu rakiety są jeszcze cięższe i tak dalej. Problem rośnie wykładniczo, im większa rakieta.
Jednak zamiast przenosić paliwo do napędu, statek kosmiczny wyposażony w lustrzane żagle mógłby polegać na laserach, które wypchnęłyby je na zewnątrz. 100 milionów dolarów Przełomowa inicjatywa Starshot, ogłoszony w 2016 r., planuje użyć potężnych laserów do napędzania roju statków kosmicznych do Alpha Centauri, najbliższego naszego układu gwiezdnego, z prędkością do 20 procent prędkości światła.
Statek kosmiczny, który ma wystrzelić Breakthrough Starshot, ma wielkość mikroczipu. Aby przyspieszyć większe statki kosmiczne do prędkości relatywistycznych - do znacznej części prędkości światła - Kipping szukał pomocy grawitacji.
Statki kosmiczne regularnie używają teraz „manewrów procowych”, w których grawitacja ciała, takiego jak planeta lub księżyc, ciska statki w przestrzeń kosmiczną i zwiększa ich prędkość. W 1963 roku słynny fizyk Freeman Dyson zasugerował, że statki kosmiczne dowolnej wielkości mogłyby polegać na manewrach procy wokół zwartych par białych karłów lub gwiazd neutronowych, aby latać z relatywistycznymi prędkościami. (Dyson wpadł na pomysł, co stało się znane jako Kula Dysona, megastrukturę, która otacza gwiazdę, aby przechwycić jak najwięcej jej energii, aby zasilić zaawansowaną cywilizację).
Jednak „proca Dysona” grozi uszkodzeniem statku kosmicznego przez ekstremalne siły grawitacji i niebezpieczne promieniowanie z tych par martwych gwiazd. Zamiast tego Kipping sugeruje, że grawitacja może pomóc statkom kosmicznym poprzez zwiększenie energii wiązek laserowych wystrzeliwanych na brzegi czarnych dziur.
Czarne dziury posiadają pola grawitacyjne tak potężne, że nic nie może im uciec, gdy zbliży się wystarczająco blisko, nawet światło. Ich pola grawitacyjne mogą również zniekształcać ścieżki fotonów światła, które nie wpadają do dziur.
W 1993 roku fizyk Mark Stuckey zasugerował, że czarna dziura może, w zasadzie, działać jak „lustro grawitacyjne”, ponieważ grawitacja czarnej dziury może powalić foton wokół niego, aby odleciał z powrotem u źródła. Kipping obliczył, że jeśli czarna dziura przesunie się w kierunku źródła fotonu, „foton bumerangu” pochłonie część energii czarnej dziury.
Używając czegoś, co nazwał „napędem halo” - nazwanym tak od pierścienia światła, który stworzyłby wokół czarnej dziury - Kipping odkrył, że nawet statki kosmiczne o masie Jowisza mogą osiągać prędkości relatywistyczne. „Cywilizacja może wykorzystywać czarne dziury jako galaktyczne punkty orientacyjne” - napisał badanie zaakceptowane przez Journal of British Interplanetary Society i wyszczególnione online 28 lutego na serwerze preprint arXiv.
Im szybciej porusza się czarna dziura, tym więcej energii może czerpać z niej napęd halo. Jako taki, Kipping w dużej mierze skupił się na użyciu par czarnych dziur spiralnie skierowanych ku sobie przed połączeniem.
Astronomowie mogliby szukać oznak, że obce cywilizacje wykorzystują pary czarnych dziur do podróży z takim silnikiem. Na przykład napędy halo skutecznie kradną z nich energię binarne systemy czarnej dziury, zwiększając tempo łączenia par czarnych dziur powyżej tego, czego można by się naturalnie spodziewać, powiedział Kipping.
Jego ustalenia oparte były na wzmocnieniach z par czarnych dziur krążących wokół siebie z relatywistycznymi prędkościami. Chociaż w Drodze Mlecznej znajduje się około 10 milionów par czarnych dziur, Kipping zauważył, że niewiele z nich prawdopodobnie krążyło z relatywistycznymi prędkościami długo, ponieważ łączą się dość szybko.
Zauważył jednak, że izolowane, wirujące czarne dziury mogą również uruchamiać napędy halo z relatywistycznymi prędkościami „i znamy już liczne przykłady relatywistycznych, wirujących supermasywnych czarnych dziur”.
Główną wadą napędu halo byłoby to, że „trzeba podróżować do najbliższej czarnej dziury”, powiedział Kipping. „Jest to podobne do płacenia jednorazowej opłaty za przejazd autostradą. Musisz zapłacić trochę energii, aby dotrzeć do najbliższego punktu dostępu, ale potem możesz jeździć za darmo tak długo, jak chcesz.”
Napęd halo działa tylko w pobliżu czarnej dziury, w odległości około pięć do 50 razy większej niż średnica czarnej dziury. „Dlatego najpierw musisz udać się do najbliższej czarnej dziury i [dlaczego] nie możesz tego po prostu zrobić przez lata świetlne przestrzeni kosmicznej” - powiedział Kipping. „Wciąż potrzebujemy środków, aby podróżować do pobliskich gwiazd, aby jechać systemem autostrad.
„Jeśli chcemy osiągnąć lot relatywistyczny, wymaga on ogromnego poziomu energii bez względu na używany system napędowy” - dodał. „Jednym ze sposobów obejścia tego jest użycie obiektów astronomicznych jako źródła energii, ponieważ posiadają one dosłownie astronomiczne poziomy energii w nich. W tym przypadku plik binarny z czarną dziurą jest w gruncie rzeczy gigantyczną baterią, która czeka na nas, aby go dotknąć. Chodzi o to, aby pracować z naturą, a nie przeciwko niej ”.
Kipping bada obecnie sposoby wykorzystania innych systemów astronomicznych do lotów relatywistycznych. Takie techniki „mogą nie być tak wydajne lub szybkie jak podejście z napędem halo, ale systemy te posiadają głębokie rezerwy energii potrzebne do tych podróży”, powiedział Kipping.
- The Cataclysm Hunters: Szukaj podwójnych czarnych dziur
- Kolizja podwójnej czarnej dziury zauważona przez detektory fali grawitacyjnej
- Napęd laserowy: Dziki pomysł może wreszcie zabłysnąć
