Предизвикателствата на програма за космически полет на извънземни: бягство от супер земите и звездите на червените джуджета
От началото на космическата ера хората са разчитали на химически ракети, за да стигнат до космоса. Въпреки че този метод със сигурност е ефективен, той също е много скъп и изисква значително количество ресурси. Докато търсим по-ефективни средства за излизане в космоса, човек трябва да се чуди дали подобно напреднали видове на други планети (където условията биха били различни) биха разчитали на подобни методи.
Професор от Харвард Ейбрахам Льоб и Майкъл Хипке, независим изследовател, свързан с обсерваторията Сонеберг, и двамата се занимаваха с този въпрос в две наскоро - пуснати документи . Докато проф. Льоб разглежда предизвикателствата, пред които извънземните ще се изправят при изстрелване на ракети от Проксима b, Хипке обмисля дали извънземните, живеещи на Супер-Земя, биха могли да влязат в космоса.
Хартиите, облицовани с плочки “ Междузвездното бягство от Proxima b е едва възможно с химически ракети ' и ' Полетът в космоса от Super-Earths е труден ” наскоро се появи онлайн и са били автори съответно на проф. Льоб и Хипке. Докато Loeb се справя с предизвикателствата на химическите ракети, които избягат от Proxima b, Hippke обмисля дали същите ракети изобщо биха могли да постигнат скорост на измъкване или не.
Впечатлението на художника от Proxima b, което е открито с помощта на метода на радиалната скорост. Кредит: ESO/M. Корнмесер
В името на своето изследване Льоб помисли как ние, хората, имаме късмета да живеем на планета, която е много подходяща за космически изстрелвания. По същество, ако ракета трябва да избяга от земната повърхност и да достигне до космоса, тя трябва да постигне изходна скорост от 11,186 km/s (40 270 km/h; 25 020 mph). По същия начин, скоростта на бягство, необходима, за да се измъкнем от местоположението на Земята около Слънцето, е около 42 km/s (151 200 km/h; 93 951 mph).
Както проф. Льоб каза пред Universe Today по имейл:
„Химическото задвижване изисква горивна маса, която расте експоненциално с крайна скорост. По щастливо стечение на обстоятелствата скоростта на излизане от орбитата на Земята около Слънцето е на границата на скоростта, постижима от химически ракети. Но обитаемата зона около по-слабите звезди е по-близо, което прави много по-предизвикателно за химическите ракети да избягат от по-дълбоката гравитационна яма там.
Както Льоб посочва в есето си, скоростта на бягство се мащабира като корен квадратен от звездната маса за разстоянието от звездата, което означава, че скоростта на изход от обитаемата зона се мащабира обратно на звездната маса до степен на една четвърт. За планети като Земята, обикалящи в рамките на обитаемата зона на звезда от G-тип (жълто джудже), като нашето Слънце, това работи доста време.
Тази инфографика сравнява орбитата на планетата около Проксима Кентавър (Проксима b) със същия регион на Слънчевата система. Кредит: Бледочервена точка
За съжаление, това не работи добре за земни планети, които обикалят около звезди от М-тип (червено джудже) с по-ниска маса. Тези звезди са най-разпространеният тип във Вселената, представлявайки 75% от звездите само в галактиката Млечния път. В допълнение, скорошни проучвания на екзопланети откриха множество скалисти планети, обикалящи около системите от звезди червени джуджета, като някои учени се осмеляваха, че те са най-вероятното място за намиране на потенциално обитаеми скалисти планети .
Използвайки най-близката звезда до нашата като пример (Проксима Кентавър), Льоб обяснява как ракета, използваща химическо гориво, би имала много по-трудно време да постигне скорост на бягство от планета, разположена в нейната обитаема зона.
„Най-близката звезда до Слънцето, Проксима Кентавър, е пример за слаба звезда със само 12% от масата на Слънцето“, каза той. „Преди няколко години беше открито, че тази звезда има планета с размерите на Земята, Проксима b, в обитаемата си зона, която е 20 пъти по-близо от отделянето на Земята от Слънцето. На това място скоростта на бягство е с 50% по-голяма, отколкото от орбитата на Земята около Слънцето. Една цивилизация на Проксима b ще й бъде трудно да избяга от местоположението си в междузвездното пространство с химически ракети.
Докладът на Хипке, от друга страна, започва с разглеждането на това, че Земята може всъщност да не е най-обитаемият тип планета в нашата Вселена. Например, планетите, които са по-масивни от Земята, биха имали по-висока повърхностна гравитация, което означава, че ще могат да задържат по-гъста атмосфера, което ще осигури по-голяма защита срещу вредните космически лъчи и слънчевата радиация.
Художниците създават впечатление за Супер-Земя, клас планети, които имат много пъти по-голяма маса от Земята, но по-малка от планета с размерите на Уран или Нептун. Кредит: NASA/Ames/JPL-Caltech
В допълнение, планета с по-висока гравитация би имала по-плоска топография, което води до архипелази вместо континенти и по-плитки океани – идеална ситуация, когато става въпрос за биоразнообразие. Въпреки това, когато става въпрос за изстрелване на ракети, повишената гравитация на повърхността би означавала и по-висока скорост на бягство. Както Хипке посочи в своето изследване:
„Ракетите страдат от уравнението на Циолковски (1903): ако ракетата носи собствено гориво, съотношението на общата ракетна маса спрямо крайната скорост е експоненциална функция, което прави високите скорости (или тежките полезни товари) все по-скъпи.
За сравнение, Хипке използва Kepler-20 b, супер-Земя, разположена на 950 светлинни години, което е 1,6 пъти радиуса на Земята и 9,7 пъти нейната маса. Докато скоростта на бягство от Земята е приблизително 11 km/s, ракета, която се опитва да напусне Супер-Земя, подобна на Kepler-20 b, ще трябва да постигне скорост на бягство от ~27,1 km/s. В резултат на това едностепенна ракета на Kepler-20 b трябва да изгори 104 пъти повече гориво от ракетата на Земята, за да влезе в орбита.
За да го постави в перспектива, Хипке разглежда конкретни полезни товари, които се изстрелват от Земята. „За да се вдигне по-полезен полезен товар от 6,2 тона, както се изисква за космическия телескоп Джеймс Уеб на Kepler-20 b, масата на горивото ще се увеличи до 55 000 тона, приблизително масата на най-големите океански бойни кораби“, пише той. „За класическа лунна мисия Apollo (45 t), ракетата ще трябва да бъде значително по-голяма, ~400 000 t.
Проект Starshot, инициатива, спонсорирана от Фондация Breakthrough, е предназначена да бъде първото междузвездно пътуване на човечеството. Кредит: breakthroughinitiatives.org
Докато анализът на Хипке заключава, че химическите ракети все още биха позволили скорости на бягство на Супер-Земите до 10 земни маси, необходимото количество гориво прави този метод непрактичен. Както посочи Хипке, това може да има сериозен ефект върху развитието на извънземна цивилизация.
„Изненадан съм да видя колко близо сме като хора, за да се озовем на планета, която все още е сравнително лека за извършване на космически полет“, каза той. „Други цивилизации, ако съществуват, може да нямат такъв късмет. На по-масивни планети космическият полет би бил експоненциално по-скъп. Такива цивилизации не биха имали сателитна телевизия, лунна мисия или космически телескоп Хъбъл. Това би трябвало да промени начина им на развитие по определени начини, които сега можем да анализираме по-подробно.'
И двата документа представят някои ясни последици, когато става въпрос за търсене на извънземен разум (SETI). Като начало, това означава, че цивилизациите на планети, които обикалят около звезди червени джуджета или суперземи, е по-малко вероятно да се движат в космоса, което би затруднило откриването им. Това също така показва, че когато става въпрос за видовете задвижване, с които човечеството е запознато, може да сме в малцинството.
„Тези резултати по-горе предполагат, че химическото задвижване има ограничена полезност, така че би имало смисъл да се търсят сигнали, свързани със светлинни платна или ядрени двигатели, особено близо до звезди джуджета“, каза Льоб. 'Но има и интересни последици за бъдещето на нашата собствена цивилизация.'
Концепцията на художника за бимодална ядрена ракета, която пътува до Луната, Марс и други дестинации в Слънчевата система. Кредит: НАСА
„Една последица от документа е за космическата колонизация и SETI“, добави Хипке. „Гражданските хора от Super-Earths са много по-малко склонни да изследват звездите. Вместо това те биха били (до известна степен) „арестувани“ на родната си планета и напр. използвайте повече лазери или радиотелескопи за междузвездна комуникация, вместо да изпращате сонди или космически кораби.'
Въпреки това, както Льоб, така и Хипке също отбелязват, че извънземните цивилизации могат да се справят с тези предизвикателства, като приемат други методи за задвижване. В крайна сметка химическото задвижване може да бъде нещо, което малко технологично напреднали видове биха възприели, защото просто не е практично за тях. Както обясни Льоб:
„Една напреднала извънземна цивилизация би могла да използва други методи за задвижване, като ядрени двигатели или светлинни платна, които не са ограничени от същите ограничения като химическото задвижване и могат да достигнат скорости до една десета от скоростта на светлината. Нашата цивилизация в момента разработва тези алтернативни технологии за задвижване, но тези усилия все още са в начален стадий.'
Един такъв пример е Пробив Starshot , който в момента се разработва от фондация Breakthrough Prize (на която Льоб е председател на Консултативния комитет). Тази инициатива има за цел да използва лазерно задвижвано светлинно платно за ускоряване на наноплан до скорости от 20% от скоростта на светлината, което ще му позволи да пътува до Проксима Кентавър само за 20 години.
Впечатлението на художника от скалисти екзопланети, обикалящи около Gliese 832, звезда червено джудже, само на 16 светлинни години от Земята. Кредит: ESO/M. Корнмесер/Н. Risinger (skysurvey.org).
Хипке по подобен начин разглежда ядрените ракети като реална възможност, тъй като повишената гравитация на повърхността също би означавала, че космическите асансьори биха били непрактични. Льоб също така посочи, че ограниченията, наложени от планетите около звезди с ниска маса, могат да имат последици, когато хората се опитват да колонизират известната Вселена:
„Когато слънцето се нагрее достатъчно, за да извари цялата вода от лицето на Земята, дотогава можем да се преместим в нов дом. Някои от най-желаните дестинации биха били системи от множество планети около звезди с ниска маса, като близката звезда джудже TRAPPIST-1 който тежи 9% от слънчевата маса и е домакин на седем планети с размерите на Земята. След като стигнем до обитаемата зона на TRAPPIST-1 обаче, няма да има бързане за бягство. Такива звезди изгарят водород толкова бавно, че могат да ни затоплят в продължение на десет трилиона години, около хиляда пъти по-дълго от живота на слънцето.
Но междувременно можем да бъдем спокойни със знанието, че живеем на обитаема планета около звезда жълто джудже, което ни дава не само живот, но и способността да излезем в космоса и да изследваме. Както винаги, когато става въпрос за търсене на признаци на извънземен живот в нашата Вселена, ние, хората, сме принудени да приемем „подхода на ниско висящи плодове“.
По принцип единствената планета, за която знаем, че поддържа живот, е Земята и единствените средства за изследване на космоса, които знаем как да търсим, са тези, които самите ние сме изпробвали и тествали. В резултат на това сме донякъде ограничени, когато става въпрос за търсене на биосигнатури (т.е. планети с течна вода, кислородна и азотна атмосфера и т.н.) или техносигнатури (т.е. радио предавания, химически ракети и т.н.).
Тъй като разбирането ни за това при какви условия може да възникне животът се увеличава и нашата собствена технология напредва, ще трябва да търсим повече. И да се надяваме, че въпреки допълнителните предизвикателства, пред които може да се изправи, извънземният живот ще ни търси!
Есето на професор Льоб също беше публикувано наскоро в Scientific American .
Допълнителна информация: arXiv , arXiv (2) , Scientific American
