Idén om att en dag resa till ett annat stjärnsystem och se vad som finns där har varit den liviga drömmen om människor långt innan de första raketerna och astronauterna skickades ut i rymden. Men trots alla framsteg som vi har gjort sedan början av rymdåldern, förblir interstellär resa just det - en feber dröm. Även om teoretiska koncept har föreslagits förblir frågorna om kostnad, restid och bränsle mycket problematiska.
Många förhoppningar för närvarande beror på användningen av riktad energi och ljusskenor för att driva små rymdfarkoster till relativistiska hastigheter. Men tänk om det fanns ett sätt att göra större rymdfarkoster tillräckligt snabba för att föra interstellära resor? Enligt prof. David Kipping - ledaren för Columbia University: s Cool Worlds-laboratorium - kan framtida rymdfarkoster lita på en Halo Drive, som använder gravitationskraften i ett svart hål för att nå otroliga hastigheter.
Professor Kipping beskrev detta koncept i en ny studie som visades online (förtrycket finns också tillgängligt på Cool Worlds webbplats). I den hanterade Kipping de enskilt största utmaningarna som utrymmeutforskningen innebär, vilket är den stora mängden tid och energi som det skulle ta för att skicka ett rymdskepp på ett uppdrag att utforska bortom vårt solsystem.
Som Kipping berättade för Space Magazine via e-post:
”Interstellar resor är en av de mest utmanande tekniska prestationer vi kan tänka oss. Även om vi kan föreställa oss att driva mellan stjärnorna under miljoner år - vilket är legitimt interstellärt resande - för att uppnå resor på tidsskalor i århundraden eller mindre kräver relativistisk framdrivning. ”
Som Kipping uttryckte det, är relativistisk framdrivning (eller accelererar till en bråkdel av ljusets hastighet) mycket dyr med tanke på energi. Befintliga rymdfarkoster har helt enkelt inte bränslekapaciteten för att kunna komma upp till den typen av hastigheter, och det går inte att spränga kärnor för att generera drivkraft - à la Project Orion (video ovan) - eller bygga en fusion ramjet - à la Project Daedalus - det finns inte många alternativ tillgängliga.
Under de senaste åren har uppmärksamheten förskjutits mot idén att använda ljusskenor och nanokraft för att utföra interstellära uppdrag. Ett välkänt exempel på detta är Genombrott Starshot, ett initiativ som syftar till att skicka ett rymdskepp av smarttelefonstorlek till Alpha Centauri under vår livstid. Med hjälp av en kraftfull laseruppsättning skulle ljusskenan accelereras till hastigheter på upp till 20% av ljusets hastighet - vilket gör resan på 20 år.
"Men även här talar du om flera terra-joules energi för de mest minimalistiska (en grammassa) rymdskepp som kan tänkas," sade Kipping. "Det är den kumulativa energiproduktionen från kärnkraftverk som körs i flera veckor (som vi förresten inte har något sätt att lagra så mycket energi heller)! Så det är därför det är svårt. "
Till detta föreslår Kipping en modifierad version av det som kallas ”Dyson Slingshot”, en idé föreslogs av den älskade teoretiska fysikern Freeman Dyson (sinnet bakom Dyson Sphere). I boken 1963 Interstellar kommunikation (Kapitel 12: “Gravitational Machines”) beskrev Dyson hur rymdskepp kunde slingra runt kompakta binära stjärnor för att få en betydande ökning av hastigheten.
Som Dyson beskrev det, ett fartyg som skulle skickas till ett kompakt binärt system (två neutronstjärnor som kretsar runt varandra) där det skulle utföra en gravitationstjänstmanöver. Detta skulle bestå av att rymdskeppet tar upp hastigheten från binärens intensiva tyngdkraft - lägger motsvarigheten till två gånger deras rotationshastighet till sin egen - innan den kastas ut ur systemet.
Även om utsikterna att utnyttja denna typ av energi för framdrivningens skull var mycket teoretiska under Dysons tid (och är fortfarande), erbjöd Dyson två skäl till varför "gravitationsmaskiner" var värda att utforska:
”Först, om vår art fortsätter att expandera sin befolkning och sin teknik i en exponentiell hastighet, kan det komma en tid i den avlägsna framtiden där teknik i astronomisk skala kan vara både genomförbart och nödvändigt. För det andra, om vi söker efter tecken på tekniskt avancerat liv som redan finns någon annanstans i universum, är det användbart att överväga vilken typ av observerbara fenomen som en riktigt avancerad teknik kan producera. ”
Kort sagt, gravitationsmaskiner är värda att studera om de blir möjliga en dag, och eftersom denna studie kan göra det möjligt för oss att upptäcka möjliga utomjordiska intelligenser (ETI) genom de tekniska signaturer som sådana maskiner skulle skapa. För att utvidga detta överväger Kipping hur svarta hål - speciellt de som finns i binära par - kan utgöra ännu kraftigare gravitationella slingshots.
Detta förslag baseras delvis på den senaste framgången för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som har valt flera gravitationsvågsignaler sedan den första upptäcktes 2016. Enligt de senaste uppskattningarna baserade på dessa upptäckter kan det finnas upp till 100 miljoner svarta hål i Vintergalaxen ensam.
Där binärer inträffar besitter de en otrolig mängd rotationsenergi, vilket är resultatet av deras snurrning och hur de snabbt kretsar om varandra. Som Kipping noterar kan svarta hål också fungera som en gravitationsspegel - där fotoner riktade mot kanten av händelseshorisonten kommer att böja sig och komma rakt tillbaka vid källan. Som Kipping uttryckte det:
”Så är det binära svarta hålet verkligen ett par gigantiska speglar som cirklar runt varandra med potentiellt hög hastighet. Halo-drivenheten utnyttjar detta genom att studsa fotoner från “spegeln” när spegeln närmar sig dig, fotonerna studsar tillbaka, skjuter dig längs, men stjäl också en del av energin från det svarta hålet binärt (tänk på hur en ping pong boll kastas mot en rörlig vägg skulle komma tillbaka snabbare). Genom att använda denna inställning kan man skörda den binära svarthålsenergin för framdrivning. ”
Denna framdrivningsmetod erbjuder flera uppenbara fördelar. Till att börja med ger det användarna möjlighet att resa i relativistiska hastigheter utan behov av bränsle, vilket för närvarande svarar för huvuddelen av ett lanseringsfordons massa. Det finns också många, många svarta hål som finns över Vintergatan, som kan fungera som ett nätverk för relativistisk rymdresa.
Dessutom har forskare redan bevittnat kraften i gravitationssprång tack vare upptäckten av hyperhastighetsstjärnor. Enligt forskning från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) är dessa stjärnor ett resultat av galaktiska sammanslagningar och interaktion med massiva svarta hål, vilket gör att de kastas ut från sina galaxer med en tiondel till en tredjedel av hastigheten ljus - ~ 30 000 till 100 000 km / s (18 600 till 62 000 mps).
Men naturligtvis kommer konceptet med otaliga utmaningar och mer än några nackdelar. Förutom att bygga rymdfarkoster som skulle kunna kastas runt ett svart håls händelseshorisont, finns det också den enorma mängden precision som behövs - annars kan fartyget och besättningen (om det har en) hamna sönder i maw av det svarta hålet. Dessutom är det helt enkelt frågan om att nå en:
”[T] han sak har en enorm nackdel för oss genom att vi först måste komma till ett av dessa svarta hål. Jag brukar tänka på det som ett interstellärt motorvägsystem - du måste betala en engångsavgift för att komma på motorvägen, men när du är på väg kan du åka över galaxen så mycket du vill utan att spendera mer bränsle. "
Utmaningen för hur mänskligheten kan gå till att nå det närmaste lämpliga svarta hålet kommer att bli föremål för Kips nästa tidning, indikerade han. Och medan en idé som denna är ungefär lika avlägsen för oss som att bygga en Dyson Sphere eller använda svarta hål för att driva rymdskepp, erbjuder den några ganska spännande möjligheter för framtiden.
Kort sagt, begreppet en maskin med svart hål tyngdkraft ger mänskligheten en trolig väg att bli en interstellär art. Under tiden kommer studiet av konceptet att ge SETI-forskare en annan möjlig teknosignatur att leta efter. Så tills den dag kommer när vi kanske provar något liknande här för oss själva, kommer vi att kunna se om någon annan art redan har tagit ett kniv vid det och fått det att fungera!
