En halodrift kan accelerera interstellära rymdfarkoster till nära ljusets hastighet

Röntgen: NASA/CXC/University of Amsterdam/N.Rea et al; Optisk: DSS

Redan 2016 presenterade fysikern Stephen Hawking och miljardären Yuri Milner en plan för att resa till stjärnorna. Det så kallade Breakthrough Starshot-projektet är ett program på 100 miljoner dollar för att utveckla och demonstrera den teknik som krävs för att besöka ett närliggande stjärnsystem. Potentiella mål inkluderar Proxima Centauri, ett system cirka fyra ljusår bort med flera exoplaneter, inklusive en jordliknande kropp som kretsar i den beboeliga zonen.

Hawking och Milners plan var att bygga tusentals små rymdfarkoster lika stora som mikrochips och använda ljus för att accelerera dem till en relativistisk hastighet - en så nära ljusets hastighet. Det stora antalet ökar chanserna att åtminstone en skulle komma fram säkert. Varje starchip skulle fästas på ett lätt segel lika stor som en badmintonbana och sedan zappades med enormt kraftfulla markbaserade lasrar.

Laserframdrivning har olika fördelar. Det mest betydelsefulla är att rymdfarkosten inte behöver bära något bränsle, vilket kraftigt minskar deras massa. Den bör också kunna accelerera ljusseglen till en hastighet på upp till 20 % av ljusets hastighet. I den takten skulle en starchip anlända till Proxima Centauri på mindre än 30 år.

De fantastiskt kraftfulla lasrarna som krävs för ett sådant uppdrag kommer att bli särskilt svåra och dyra att utveckla. Och det väcker en uppenbar fråga: finns det något annat sätt att nå relativistiska hastigheter?

Idag får vi ett slags svar tack vare David Kippings arbete, en astronom vid Columbia University i New York. Kipping har kommit på en ny form av gravitationell slangbella, samma teknik som NASA har använt till exempel för att skicka rymdfarkosten Galileo till Jupiter. Tanken är att accelerera en rymdfarkost genom att skicka den skumma förbi ett massivt föremål som en planet. På detta sätt stjäl rymdskeppet en viss hastighet från planetens rörelse och driver fram den på sin resa.

Gravitationsslungor fungerar bäst runt enormt massiva kroppar. På 1960-talet beräknade fysikern Freeman Dyson att ett svart hål kunde accelerera en rymdfarkost till relativistiska hastigheter. Men krafterna på rymdfarkosten när den närmade sig ett sådant föremål skulle sannolikt förstöra det.

Så Kipping har kommit på ett smart alternativ. Hans idé är att skicka fotoner runt ett svart hål och sedan använda den extra energi de får för att accelerera ett lätt segel. Kinetisk energi från det svarta hålet överförs till ljusstrålen som en blåförskjutning och vid återkomst accelererar de återvunna fotonerna inte bara, utan tillför också energi till rymdfarkosten, säger Kipping.

Processen beror på det enormt kraftfulla gravitationsfältet runt ett svart hål. Eftersom fotoner har en liten men mätbar vilomassa kan detta fält fånga ljus i en cirkulär bana.

Kippings arbete är baserat på en något annorlunda bana som styr en foton som sänds ut från en rymdfarkost runt det svarta hålet och tillbaka till rymdfarkosten - en slags bumerangbana. Under denna resa får boomerangfotonerna kinetisk energi från det svarta hålets rörelse.

Det är denna energi som kan accelerera en rymdfarkost utrustad med ett lämpligt lätt segel. Kipping kallar detta en halo-drive. Halo-driften överför kinetisk energi från det rörliga svarta hålet till rymdfarkosten med hjälp av gravitationshjälp, säger Kipping och påpekar att rymdfarkosten inte använder något eget bränsle i processen.

Eftersom halodriften utnyttjar rörelsen av ett svart hål, är det bäst att tillämpa på binära system där ett svart hål kretsar runt ett annat objekt. Fotonerna får sedan energi från det svarta hålets rörelse vid lämpliga punkter i dess omloppsbana.

Och drevet ska fungera för vilken massa som helst som är betydligt mindre än det svarta hålet. Kipping säger att detta kan tillåta fordon i planetstorlek. Så en tillräckligt avancerad civilisation skulle kunna resa med relativistiska hastigheter från en del av galaxen till en annan genom att hoppa från ett binärt system med svarta hål till ett annat. En avancerad civilisation kan använda konceptet för lätt segling för att utföra relativistisk och extremt effektiv framdrivning, säger han.

Samma mekanism kan också bromsa upp rymdfarkoster. Så denna avancerade civilisation skulle förmodligen leta efter par av binära svarthålssystem för att fungera som acceleratorer och retardatorer.

Vintergatan innehåller cirka 10 miljarder binära svarthålssystem. Men Kipping påpekar att det sannolikt bara finns ett begränsat antal banor som länkar dem samman, så dessa interstellära motorvägar kommer sannolikt att vara värdefulla regioner.

Naturligtvis är tekniken för att utnyttja detta koncept långt bortom mänsklighetens förmåga för tillfället. Men astronomer borde kunna ta reda på var de bästa interstellära motorvägarna ligger och sedan leta efter teknosignaturerna från civilisationer som kan utnyttja dem.

Allt det där låter som kul, och kritiker kan hävda att det är lite mer än foder för science fiction-fans. Kanske.

Men starchip-konceptet har diskuterats i decennier, vanligtvis i utkanten av vetenskapen. I kölvattnet av Hawking och Milners tillkännagivande har projektet plötsligt fått ben. Faktum är att de första starchip-teknologierna redan har testats i låg omloppsbana om jorden och det första uppdraget planerades till omkring 2036, till en kostnad av 5 till 10 miljarder dollar.

Det är ett ambitiöst mål, men även om man tillåter olika förseningar, kommer interstellära resor sannolikt att vara möjliga inom hundra år efter mänsklighetens första razzior i rymden. Det är snabba framsteg. Och det tyder på att vilken civilisation som helst med ett litet försprång på oss kunde ha tagit betydligt större framsteg.

Ref: arxiv.org/abs/1903.03423 : The Halo Drive: Bränslefri relativistisk framdrivning av stora massor via återvunna Boomerang-fotoner

Dölj