Od początku ery kosmicznej ludzie polegali na rakietach chemicznych, aby dostać się w kosmos. Chociaż ta metoda jest z pewnością skuteczna, jest również bardzo droga i wymaga znacznej ilości zasobów. Kiedy szukamy bardziej wydajnych sposobów ucieczki w kosmos, należy zastanawiać się, czy podobnie zaawansowane gatunki na innych planetach (gdzie warunki byłyby inne) polegałyby na podobnych metodach.
Profesor Harvardu Abraham Loeb i Michael Hippke, niezależny badacz związany z Obserwatorium Sonneberga, obaj odpowiedzieli na to pytanie w dwóch niedawno opublikowanych artykułach. Podczas gdy Prof. Loeb przygląda się wyzwaniom, przed jakimi stoją kosmici, wystrzeliwując rakiety z Proximy b, Hippke zastanawia się, czy kosmici mieszkający na Super-Ziemi byliby w stanie dostać się w kosmos.
Publikacje w kafelkach „Interstellar Escape from Proxima b is Barely Possible With Chemical Rockets” oraz „Spaceflight from Super-Earths is trudne” pojawiły się ostatnio w Internecie, a ich autorami byli, odpowiednio, prof. Loeb i Hippke. Podczas gdy Loeb rozwiązuje problemy związane z rakietami chemicznymi uciekającymi z Proximy b, Hippke zastanawia się, czy te same rakiety mogłyby w ogóle osiągnąć prędkość ucieczki.
Ze względu na swoje badania Loeb zastanawiał się, w jaki sposób my, ludzie, mamy szczęście żyć na planecie, która jest odpowiednia do startów kosmicznych. Zasadniczo, jeśli rakieta ma uciec z powierzchni Ziemi i dotrzeć do przestrzeni kosmicznej, musi osiągnąć prędkość ucieczki 11,186 km / s (40 270 km / h; 25 020 mil / h). Podobnie, prędkość ucieczki potrzebna do ucieczki z położenia Ziemi wokół Słońca wynosi około 42 km / s (151 200 km / h; 93 951 mil / h).
Jak powiedział profesor Loeb do Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Napęd chemiczny wymaga masy paliwa, która rośnie wykładniczo z prędkością końcową. Szczęśliwym zbiegiem okoliczności prędkość ucieczki z orbity Ziemi wokół Słońca jest na granicy prędkości osiągalnej przez rakiety chemiczne. Ale strefa mieszkalna wokół słabszych gwiazd jest bliżej, co znacznie utrudnia rakietom chemicznym ucieczkę z głębszej tam grawitacji. ”
Jak wskazuje Loeb w swoim eseju, prędkość ucieczki skaluje się jako pierwiastek kwadratowy masy gwiezdnej na odległość od gwiazdy, co oznacza, że prędkość ucieczki ze strefy zamieszkałej skaluje się odwrotnie wraz z masą gwiezdną do potęgi jednej czwartej. W przypadku planet takich jak Ziemia krążących w strefie zamieszkiwalnej gwiazdy typu G (żółty karzeł), takiej jak nasze Słońce, działa to dość długo.
Niestety nie działa to dobrze w przypadku planet naziemnych, które krążą wokół gwiazd typu M (czerwony karzeł) o mniejszej masie. Gwiazdy te są najczęstszym typem we Wszechświecie, odpowiadając za 75% gwiazd w samej Galaktyce Drogi Mlecznej. Ponadto w ostatnich badaniach egzoplanet odkryto mnóstwo planet skalistych krążących wokół układów gwiazd czerwonych karłów, a niektórzy naukowcy twierdzą, że są one najbardziej prawdopodobnym miejscem do znalezienia potencjalnie nadających się do zamieszkania planet skalistych.
Posługując się najbliższą naszą gwiazdą jako przykładem (Proxima Centauri), Loeb wyjaśnia, w jaki sposób rakieta wykorzystująca chemiczny materiał napędowy miałaby znacznie trudniejszy czas na osiągnięcie prędkości ucieczki z planety znajdującej się w jej strefie zamieszkiwania.
„Najbliższa Słońcu gwiazda, Proxima Centauri, jest przykładem słabej gwiazdy o jedynie 12% masy Słońca”, powiedział. „Kilka lat temu odkryto, że ta gwiazda ma planetę wielkości Ziemi, Proxima b, w swojej strefie zamieszkałej, która jest 20 razy bliżej niż oddzielenie Ziemi od Słońca. W tym miejscu prędkość ucieczki jest o 50% większa niż z orbity Ziemi wokół Słońca. Cywilizacja na Proximie b będzie miała trudności z ucieczką ze swojej lokalizacji do przestrzeni międzygwiezdnej za pomocą rakiet chemicznych. ”
Z drugiej strony, praca Hippke'a zaczyna się od rozważenia, że Ziemia może w rzeczywistości nie być najbardziej nadającym się do zamieszkania typem planety w naszym Wszechświecie. Na przykład planety, które są bardziej masywne niż Ziemia, miałyby wyższą grawitację powierzchniową, co oznacza, że byłyby w stanie utrzymać się w grubszej atmosferze, co zapewniłoby lepszą ochronę przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i promieniowaniem słonecznym.
Ponadto planeta o wyższej grawitacji miałaby bardziej płaską topografię, co skutkowałoby powstaniem archipelagów zamiast kontynentów i płytszych oceanów - idealna sytuacja pod względem różnorodności biologicznej. Jednak w przypadku wystrzeliwania rakiet zwiększona grawitacja powierzchniowa oznaczałaby również wyższą prędkość ucieczki. Jak wskazał Hippke w swoim badaniu:
„Rakiety cierpią z powodu równania Tsiolkovsky'ego (1903): jeśli rakieta ma własne paliwo, stosunek całkowitej masy rakiety do prędkości końcowej jest funkcją wykładniczą, co powoduje, że wysokie prędkości (lub duże ładunki) stają się coraz droższe”.
Dla porównania Hippke używa Keplera-20b, Super-Ziemi oddalonej o 950 lat świetlnych, czyli 1,6 razy w stosunku do promienia Ziemi i 9,7 razy więcej niż masy. Podczas gdy prędkość ucieczki z Ziemi wynosi około 11 km / s, rakieta próbująca opuścić Super-Ziemię podobną do Keplera-20 b musiałaby osiągnąć prędkość ucieczki około 27,1 km / s. W rezultacie jednostopniowa rakieta na Kepler-20 b musiałaby spalić 104 razy więcej paliwa niż rakieta na Ziemi, aby dostać się na orbitę.
Z perspektywy czasu Hippke rozważa uruchomienie określonych ładunków z Ziemi. „Aby podnieść bardziej użyteczny ładunek o wartości 6,2 t, wymagany dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba na Kepler-20b, masa paliwa wzrosła do 55 000 ton, co odpowiada masie największych pancerników oceanicznych”, pisze. „W przypadku klasycznej misji księżycowej Apollo (45 ton) rakieta musiałaby być znacznie większa, ~ 400 000 ton”.
Podczas gdy analiza Hippke stwierdza, że rakiety chemiczne nadal pozwalałyby na prędkości ucieczki na super-ziemiach do 10 mas Ziemi, potrzebna ilość paliwa sprawia, że ta metoda jest niepraktyczna. Jak zauważył Hippke, może to mieć poważny wpływ na rozwój cywilizacji obcych.
„Jestem zaskoczony, widząc, jak blisko nas, jako ludzi, możemy wylądować na planecie, która wciąż jest dość lekka do prowadzenia lotów kosmicznych” - powiedział. „Inne cywilizacje, jeśli istnieją, mogą nie mieć tyle szczęścia. Na bardziej masywnych planetach lot kosmiczny byłby wykładniczo droższy. Takie cywilizacje nie miałyby telewizji satelitarnej, misji księżycowej ani Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Powinno to zmienić sposób ich rozwoju w określony sposób, który możemy teraz analizować bardziej szczegółowo. ”
Oba te artykuły przedstawiają pewne wyraźne implikacje, jeśli chodzi o poszukiwanie inteligencji pozaziemskiej (SETI). Po pierwsze, oznacza to, że cywilizacje na planetach, które krążą wokół czerwonych karłów lub Super-Ziem, rzadziej wykonują loty kosmiczne, co utrudniłoby ich wykrycie. Wskazuje również, że jeśli chodzi o rodzaje napędu, które ludzkość zna, możemy należeć do mniejszości.
„Powyższe wyniki sugerują, że napęd chemiczny ma ograniczoną użyteczność, więc sensowne byłoby poszukiwanie sygnałów związanych z żaglami lub silnikami nuklearnymi, szczególnie w pobliżu gwiazd karłowatych” - powiedział Loeb. „Ale są też interesujące implikacje dla przyszłości naszej cywilizacji.”
„Jedną z konsekwencji tego artykułu jest kolonizacja przestrzeni kosmicznej i SETI”, dodał Hippke. „Civy z Super-Earths mają znacznie mniejsze szanse na eksplorację gwiazd. Zamiast tego byliby (do pewnego stopnia) „aresztowani” na swojej macierzystej planecie i np. częściej wykorzystują lasery lub radioteleskopy do komunikacji międzygwiezdnej zamiast wysyłać sondy lub statki kosmiczne. ”
Jednak zarówno Loeb, jak i Hippke zauważają, że cywilizacje pozaziemskie mogłyby sprostać tym wyzwaniom, przyjmując inne metody napędu. Ostatecznie napęd chemiczny może być czymś, co przyjęłoby niewiele zaawansowanych technologicznie gatunków, ponieważ jest to po prostu dla nich niepraktyczne. Jak wyjaśnił Loeb:
„Zaawansowana cywilizacja pozaziemska mogłaby stosować inne metody napędu, takie jak silniki jądrowe lub żagle świetlne, które nie są ograniczone takimi samymi ograniczeniami jak napęd chemiczny i mogą osiągać prędkości nawet dziesiątej prędkości światła. Nasza cywilizacja opracowuje obecnie alternatywne technologie napędu, ale wysiłki te są jeszcze w powijakach. ”
Jednym z takich przykładów jest Breakthrough Starshot, który jest obecnie opracowywany przez Fundację Przełomową Nagrodę (której Loeb jest przewodniczącym Komitetu Doradczego). Inicjatywa ta ma na celu wykorzystanie laserowego żagla świetlnego do przyspieszenia nanokraftu do prędkości 20% prędkości światła, co pozwoli mu dotrzeć do Proxima Centauri w zaledwie 20 lat.
Hippke podobnie uważa rakiety jądrowe za realną możliwość, ponieważ zwiększona grawitacja powierzchniowa oznaczałaby również, że windy kosmiczne byłyby niepraktyczne. Loeb wskazał również, że ograniczenia nałożone przez planety wokół gwiazd o niskiej masie mogą mieć reperkusje, gdy ludzie próbują skolonizować znany Wszechświat:
„Kiedy słońce ogrzeje się wystarczająco, aby zagotować całą wodę z powierzchni Ziemi, możemy do tego czasu przenieść się do nowego domu. Jednymi z najbardziej pożądanych miejsc docelowych byłyby układy wielu planet wokół gwiazd o niskiej masie, takie jak pobliska karłowata gwiazda TRAPPIST-1, która waży 9% masy Słońca i zawiera siedem planet wielkości Ziemi. Gdy jednak dotrzemy do strefy mieszkalnej TRAPPIST-1, nie będzie pośpiechu, aby uciec. Takie gwiazdy palą wodór tak wolno, że mogłyby nas ogrzać przez dziesięć bilionów lat, około tysiąc razy dłużej niż za życia Słońca. ”
Tymczasem możemy spokojnie odpoczywać, wiedząc, że żyjemy na planecie mieszkalnej wokół żółtej karłowatej gwiazdy, co daje nam nie tylko życie, ale także możliwość wydostania się w kosmos i eksploracji. Jak zawsze, jeśli chodzi o poszukiwanie oznak życia pozaziemskiego w naszym Wszechświecie, my, ludzie, jesteśmy zmuszeni przyjąć „podejście do wiszących owoców”.
Zasadniczo jedyną planetą, o której wiemy, że wspiera życie, jest Ziemia, a jedynym sposobem eksploracji kosmosu, którego wiemy, jak szukać, są te, które sami wypróbowaliśmy i przetestowaliśmy. W rezultacie jesteśmy nieco ograniczeni, jeśli chodzi o poszukiwanie biosignature (tj. Planet z ciekłą wodą, atmosferą tlenu i azotu itp.) Lub technosignature (tj. Transmisje radiowe, rakiety chemiczne itp.).
Wraz ze wzrostem naszego zrozumienia warunków, w których życie może się pojawiać, oraz z postępem naszej własnej technologii, będziemy musieli więcej szukać. I miejmy nadzieję, że pomimo dodatkowych wyzwań, przed którymi może stanąć, pozaziemskie życie będzie nas szukać!
Esej profesora Loeba został niedawno opublikowany w Scientific American.
