Астрономи не так давно оголосили переконливі докази того, що схожа на Землю планета біля Проксіми Центавра, зірки, найближчої до нашого Сонця, є найближчою до нас екзопланетою, знайденою на сьогоднішній день.
Хоча зоряна система є нашим космічним сусідом, вона знаходиться на відстані 4,2 світлових роки або близько 40 трильйонів кілометрів від Землі. Враховуючи такі величезні відстані, чи зможемо ми коли-небудь відвідати знову відкриту планету?
На політ навіть до найближчих зірок знадобилися б десятки тисяч років, якщо використовувати звичайний космічний корабель, такий як автоматичні зонди, які тепер досліджують сонячну систему.
Ці космічні кораблі приводяться в рух комбінацією хімічних та іонних двигунів з малою тягою і гравітаційних траєкторій, включаючи так звані «маневри з рогаткою» навколо Сонця або планет, які дають їм великий приріст швидкості.
Але якщо ми збираємося подорожувати за межі нашої сонячної системи, нам знадобиться щось набагато більш швидке, можливо, щось на зразок гігантської ракети-носія проекту Daedalus, показаної тут в масштабі з ракетою Сатурн V на ілюстрації.
Ось сім способів, якими автомати або навіть люди-дослідники можуть відвідати систему Проксіма Центавра або інші планетні системи.
Проект Дедал
Project Daedalus - це концептуальний проект міжзоряного корабля, розроблений у 1970-х роках групою технічних фахівців для Британського міжпланетного товариства. Метою польоту була обрана Зірка Барнарда - червоний карлик на відстані 6 світлових років, багато в чому схожий на Проксиму Центавра, де, як повідомляють астрономи, виявлені ознаки потенційно населеної планети.
Коли проект «Дідал» був задуманий, деякі астрономи думали, що планети можуть перебувати на орбіті навколо зірки Барнарда, але відтоді в зірковій системі так і не було знайдено жодної планети.
Результатом п'ятирічної роботи стало проектування космічного корабля Daedalus, двоступеневої ядерної ракети, яка дозволила б прискорити 400-тонний роботизований зонд приблизно до 12 відсотків швидкості світла. Це дозволило б кораблю здійснити подорож на 6 світлових років до Зірки Барнарда приблизно за 50 років.
Космічний корабель «Дідал» повинен приводитися в дію ядерним синтезом, використовуючи електронні промені для детонації потоку паливних гранул, таких як гелій-3, які можуть бути видобуті з поверхні Місяця.
Незважаючи на це, двигуни споживали б десятки тисяч тонн палива, щоб розігнати космічний корабель до максимальної швидкості приблизно через 4 роки польоту.
Однак, в результаті ненажерливості двигунів не залишилося б палива для уповільнення швидкості, і кінцевий результат 50-річної подорож буде всього лише 70-годинним прольотом системи призначення, перш ніж космічний корабель полетить у міжзоряний простір.
Дідал був би занадто великим (довжина 200 метрів, діаметр 190, маса палива 50000 тонн), щоб відірватися від поверхні Землі, тому його довелося б будувати на орбіті, а це означає, що такий космічний корабель не може бути побудований без технології будівництва в космосі, якої сьогодні не існує.
Проект Ікар
Концепції проекту Дедал 1970-х років є джерелом натхнення для проекту Icarus (2009-2014), спільного проекту Британського міжпланетного товариства та Міжзоряної організації Icarus, міжнародної мережі вчених, інженерів та ентузіастів, які сподіваються з кожним роком розвивати можливості міжзоряного космічного польоту до 2100 року.
Проект Ікар призначений для досягнення будь-якої зірки в межах 22 світлових років від Землі, яка має потенційно населену екзопланету, а це означає, що якщо планета буде підтверджена навколо Проксіми Центавра, то і вона може стати метою призначення.
Проект Ікар спрямований на оновлення Дідала новими технологіями та ідеями. Серед запропонованих удосконалень - ракетні двигуни з термоядерним синтезом, в яких використовується інше ядерне паливо, яке буде підірвано лазерами замість електронних променів - технологія, яка може бути заснована на недавніх досягненнях в області синтезу з лазерним запалюванням.
Космічний корабель Ікар також може бути меншим, ніж Project Daedalus, завдяки досягненням у галузі електронної мініатюризації та робототехніки, а також майбутнім нанотехнологіям, що означає, що космічному кораблю буде потрібно менше палива для досягнення повної швидкості (10-20% від швидкості світла).
Космічний вітрил
Легкі вітрила, що використовують тиск світла для руху корисного навантаження, вже розглядаються для міжпланетних космічних зондів, і в 2010 році експериментальний японський космічний корабель IKAROS успішно використовував свій легкий парус завширшки 20 метрів для маневрування протягом шестирічної подорож на Венеру.
Але хоча космічні вітрила, керовані сонячним світлом, вже є ефективним способом дослідження Сонячної системи, вони недостатньо швидкі, щоб подолати міжзоряні відстані за розумний час.
Відповідь може полягати в тому, щоб використовувати потужні лазери для розгону вітрила до дуже високих швидкостей зі сплесками світла на початку шляху, поки космічний корабель не виявиться занадто далеко від лазерного джерела, щоб отримувати велику тягу від світлового променя.
Оскільки рушійні лазери будуть будуватися на Землі або на орбіті, міжзоряному космічному кораблю на легких вітрилах не потрібно буде нести паливо для польоту, і тому маса космічного корабля може бути невеликою.
Легкі вітрильні космічні кораблі з лазерним приводом є основою проекту Breakthrough Starshot, який був оголошений в 2016 році інвестором Юрієм Мільнером і фізиком Стівеном Хокінгом.
Проект націлений на створення працюючого прототипу до 2036 року з кінцевою вартістю місії близько 10 мільярдів доларів і активно розвивається в даний час.
Проект передбачає створення близько 1000 космічних кораблів «StarChip» розміром з коробку сірників, кожен з яких важить кілька грамів і прикріплюється до легкого вітрила завширшки 4 метри, які буде розгорнуто з «материнського корабля» на орбіті і прискорено наземними лазерами до швидкостей від 15 до 20 відсотків швидкості світла.
Це дозволило б космічному кораблю здійснити подорож на відстані в 4 світлових роки в систему Альфа Центавра - тризіркову систему, що включає в себе зірку Проксіма Центавра і її можливу планету - в термін між 20 і 30 роками.
Міжзірковий прямоточний двигун Басарда
Концепція прямоточного двигуна Бассарда, запропонована фізиком Робертом Бассардом в 1960 році, поєднує високу тягу термоядерних ракет з низькими вимогами до палива космічного вітрила.
Замість того, щоб нести своє власне паливо, прямоточний двигун Бассарда повинен буде збирати газ, знайдений у міжзоряному просторі, відомому як міжзоряне середовище, використовуючи величезне воронкоподібне електромагнітне поле, яке простягається на тисячі кілометрів перед космічним кораблем.
Водень з міжзоряного середовища буде потім стиснутий і використаний в якості палива в термоядерній ракеті в задній частині космічного корабля. Теоретично космічний корабель, оснащений прямоточним двигуном Бассарда, може продовжувати прискорюватися до тих пір, поки на його шляху достатньо міжзоряного газу, щоб забезпечити необхідну тягу, і може досягти швидкості в 10% від швидкості світла.
На жаль, міжзоряне середовище навколо нашої Сонячної системи і прилеглих зірок особливо розряджене, і вчені підрахували, що там просто недостатньо водню, щоб заправити прямоточний двигун Бассарда.
Ще одним недоліком прямоточного двигуна Бассарда є обмеженість швидкості, якої може досягти оснащений ним космічний корабель (не більше 35,7 тис. км/с). Це залежить від того, що при вловлюванні кожного атома водню корабель буде втрачати певний імпульс, який вдасться компенсувати тягою двигуна тільки якщо швидкість не перевищує деякої межі.
Для подолання цього обмеження необхідно якомога більш повне використання кінетичної енергії всіх уловлюваних атомів, що є дуже складним завданням.
Ракета з антивіщенням і чорна діра
Крім легких космічних вітрил, гігантських лазерів і термоядерних ракет, було запропоновано ще кілька екзотичних варіантів міжзоряної подорожі, таких як ракети, що приводяться в дію надзвичайно сильною (і надзвичайно ефективною) реакцією аннігіляції речовини і антивіщення.
«Антиматерія була б відмінним ракетним паливом, тому що її щільність енергії дуже висока», - кажуть вчені. "Але, звичайно, її немає в природі, ми повинні її створити. І це дуже важко і дорого зробити, і крім того дуже небезпечно ".
Слід зазначити, що загальна кількість антивіщення, яке було створено людьми, становить менше 20 нанограмів. Згідно з доповіддю дослідників, космічний корабель з двигуном на антивідництві міг би досягти половини швидкості світла. Однак сам корабель важив би близько 400 тонн і зажадав би 170 тонн палива з антивіщення.
Інша пропозиція використовувати екзотичну фізику для управління космічним кораблем - це двигун Шварцшильда Кугельблиця, який буде використовувати мікроскопічну штучну чорну діру, що міститься в його двигунах, в якості джерела енергії.
Одна з ідей для корабля, оснащеного так званим «SK-приводом», буде вловлювання випромінювання Хокінга від швидкого і надзвичайно сильного розпаду крихітної чорної діри і перетворення його в енергію, яку можна використовувати для прискорення космічного корабля.
Кожна з таких штучних чорних дір проіснує всього кілька років, тому нові чорні діри потрібно буде створювати на вимогу, можливо, стискаючи гранули матерії за допомогою гамма-лазерів.
Згідно з дослідницькою роботою 2009 року, зорельот з SK-приводом, що приводиться в рух мікроскопічної чорної дірою з масою сучасного супертанкера, може розігнатися до 10% швидкості світла протягом 20 днів. Чорна діра проіснує близько 3,5 років, перш ніж повністю розпадеться, і за своє життя вона зможе виробити понад 160 петават енергії, або 160 квадрильйонів ват.
Анабіоз і корабель поколінь
Навіть з надшвидкісними ракетами, що рухаються зі швидкістю 10 або більше відсотків швидкості світла, знадобиться дуже багато часу з точки зору життя однієї людини, щоб досягти найближчих зірок, не кажучи вже про більш віддалених.
У відповідь на це, існує кілька ідей так званої концепції «Повільного човна», які можуть одного разу привести людей до зірок, і включають в себе:
«Сплячі Кораблі», в яких члени екіпажу перебувають у стані «глибокого сну» або гібернації (анабіозу) на час дуже довгого рейсу. Ця ідея дуже поширена в науково-фантастичних романах і була використана в декількох науково-фантастичних фільмах, у тому числі у фільмі Стенлі Кубрика "2001: Космічна одіссея ", знятого 1969 року, у фільмі Рідлі Скотта" Чужий "1979 року, в" Аватарі ", в" Пасажирах "і т. д.
«Світові Кораблі», також відомі як «кораблі поколінь» або «міжзоряні ковчеги», будуть гігантськими автономними космічними середовищами проживання, що несуть великі популяції людей та інших видів із Землі у відносно неквапливій подорожі для колонізації екзопланет - подорожі, яка може зайняти багато століть. (Джон Мур припустив, що населення в 150 - 180 осіб може автономно існувати і підтримувати чисельність популяції протягом 80 поколінь, що приблизно дорівнює 2000 років). Цілі покоління будуть жити і вмирати під час довгого польоту, і тільки далекі нащадки первісного населення прибудуть до місця призначення, якщо звичайно вони будуть пам'ятати первісну ідею.
Крім того, є навіть ідея «Корабля-ембріона», на якому на віддалену планету відправляють кріогенно-заморожених людських ембріонів замість сплячих або живих людей, де їх «висиджують» і навчають спеціальні захисні роботи, які виступають в ролі їхньої «матері» і «батька».
Політ швидший за світло?
Куди б ми не дивилися у Всесвіті, всім керує теорія відносності. Як показав Альберт Ейнштейн, неможливо ні розігнати масу до швидкості світла в космосі, ні перевершити неї.
Але рівняння Ейнштейна можуть містити кілька хитрощів, які коли-небудь дозволять науці обійти відомі закони фізики і досягти подорожі швидше світла - Святий Грааль для багатьох поколінь любителів наукової фантастики.
Найвідоміша наукова концепція для подорожей швидше за швидкість світла - це привід Алькубьєрре (варп-двигун), запропонований фізиком-теоретиком Мігелем Алькубьєрре в 1994 році.
Пропонований привід працює з використанням інтенсивних гравітаційних сил, що генеруються двома обертовими кільцями щільної екзотичної матерії, щоб зменшити фізичні розміри простору перед космічним кораблем при одночасному розширенні простору позаду нього зі швидкістю, яка може перевищувати швидкість світла.
У пропозиції Алькубьєрра, в якому потрібен тип екзотичної матерії для кілець, космічний корабель всередині «викривленого міхура», створеного двигуном, ніколи не буде рухатися швидше, ніж світло в його локальному просторі, і тому не буде порушувати закони відносності.
Аналогічний спосіб пересування зірочок (стиснення простору перед кораблем, і розширення за ним) показаний у фантастичному фільмі «Зоряний шлях».
Інша фантастична ідея для подорожі швидше світла включають використання червоточин - що також теоретично можливо, але невідомо, як вона може бути здійснена на практиці.
Однак концепція подорожей зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, рясніє невідомими і очевидними суперечностями, такими як порушення принципу причинності, коли одні події викликані іншими подіями, які відбулися раніше, а не навпаки.
Таким чином, цілком ймовірно, що подібні пропозиції виявляться неможливими, навіть якщо вони будуть коли-небудь технічно здійсненні.