Denna visualisering visar två sammanslagna svarta hål, vars stora hastighet kan ge ett ljus för laserljus som svänger runt dem.
(Bild: © NASAs Goddard Space Flight Center)
Framtida rymdskepp kan använda svarta hål som kraftfulla startkuddar för att utforska stjärnorna.
En ny studie avser att skjuta laserstrålar som skulle krökas runt ett svart hål och komma tillbaka med extra energi för att driva ett rymdskepp till nära ljusets hastighet. Astronomer kunde leta efter tecken på att främmande civilisationer använder en sådan "halo drive", som studien dämpar det, genom att se om par svarta hål slås samman oftare än väntat.
Studieförfattaren David Kipping, en astrofysiker vid Columbia University i New York, kom på idén om halo-drivning genom det han kallar "spelarens tankesätt."
"Ibland, i ett datorspel hittar du ett" utnyttjande ", en hack som gör att du kan göra något övermannat som annars skulle vara förbjudet enligt spelets regler," sa Kipping till Space.com. "I det här fallet är spelet den fysiska världen, och jag försökte tänka på exploater som skulle göra det möjligt för en civilisation att uppnå relativistisk flygning fram och tillbaka över galaxen utan den enorma energikostnad som man naivt kan ta på sig."
En viktig utmaning att använda raketer för att flyga genom rymden är det drivmedlet som de bär med sig har massa. Långa resor behöver mycket drivmedel, vilket gör raketerna tunga, vilket i sin tur kräver mer drivmedel, vilket gör raketerna ännu tyngre, och så vidare. Det problemet blir exponentiellt värre ju större raketen blir.
I stället för att bära drivmedel för framdrivning, kan rymdfarkoster utrustade med spegelliknande segel dock lita på lasrar för att pressa dem utåt. 100 miljoner dollar Genombrott Starshot-initiativ, som tillkännagavs 2016, planerar att använda kraftfulla lasrar för att driva rymdfarkoster till Alpha Centauri, vårt närmaste stjärnsystem, med upp till 20 procent ljusets hastighet.
Rymdskeppet som Breakthrough Starshot syftar till att lansera handlar bara om storleken på en mikrochip. För att påskynda större rymdskepp till relativistiska hastigheter - till en betydande del av ljushastigheten - sökte Kipping tyngdhjälpen.
Rymdfarkoster använder nu regelbundet "slingshot-manövrer", där en kropps allvar, såsom en planet eller en måne, kastar fartygen över rymden och ökar deras hastighet. 1963 föreslog den berömda fysikern Freeman Dyson att rymdskepp av valfri storlek skulle kunna förlita sig på slingrande manövrar runt kompakta par vita dvärgar eller neutronstjärnor för att flyga med relativistiska hastigheter. (Dyson kom med uppfattningen om vad som blev känt som en Dyson sfär, en megastruktur som kapslar in en stjärna för att fånga så mycket av sin energi som möjligt för att driva en avancerad civilisation.)
Emellertid riskerar en "Dyson slingshot" att skada ett rymdskepp genom extrema gravitationskrafter och farlig strålning från dessa par döda stjärnor. I stället föreslår Kipping att tyngdkraften kan hjälpa rymdskepp genom att öka energin från laserstrålar som avfyras vid svarta hålkanter.
Svarta hål har gravitationsfält så kraftfulla att ingenting kan undkomma dem när det kommer nog nog, inte ens ljus. Deras gravitationsfält kan också snedvrida vägarna för fotoner av ljus som inte faller in i hålen.
1993 föreslog fysiker Mark Stuckey att ett svart hål i princip kunde fungera som en "gravitationsspegel", i det att det svarta hålets tyngdkraft kunde slingra en foton runt så att det flög tillbaka vid sin källa. Kipping beräknade att om ett svart hål rörde sig mot en fotons källa, skulle "boomerang-fotonen" sippra bort något av det svarta hålets energi.
Med hjälp av vad han kallade en "halo drive" - uppkallad efter ljusringen skulle det skapa runt ett svart hål - Kipping fann att även rymdskepp med massan av Jupiter kunde uppnå relativistiska hastigheter. "En civilisation kunde utnyttja svarta hål som galaktiska vägpunkter", skrev han i en studie accepterad av Journal of the British Interplanetary Society och detaljerad online 28 februari i arXiv-förtrycksservern.
Ju snabbare ett svart hål rör sig, desto mer energi kan en halo-drivenhet dra ut det. Som sådan fokuserade Kipping till stor del på att använda par svarta hål spiralande mot varandra innan en sammanslagning.
Astronomer kunde leta efter tecken på att främmande civilisationer utnyttjar svarta hål för att resa med en sådan motor. Till exempel skulle halo-drivenheter effektivt stjäla energi från sådant binära svarthålssystem, öka hastigheterna där par svarta hål smälter över vad man skulle förvänta sig att se naturligt, sade Kipping.
Hans resultat var baserade på ökningar från par svarta hål som kretsar runt varandra i relativistiska hastigheter. Även om det finns uppskattningsvis 10 miljoner par svarta hål i Vintergatan, konstaterade Kipping att få av de som troligen kretsade i relativistiska hastigheter länge, eftersom de skulle smälta ganska snabbt.
Ändå noterade han att isolerade, snurrande svarta hål också kunde starta halo-drivenheter i relativistiska hastigheter, "och vi känner redan till många exempel på relativistiska, snurrande supermassiva svarta hål."
Den största nackdelen med en halo-enhet skulle vara att "man måste resa till närmaste svarta hål", sade Kipping. "Det är besläktat med att betala en engångsavgift för att åka motorvägssystemet. Du måste betala lite energi för att nå den närmaste åtkomstpunkten, men efter det kan du åka gratis så länge du vill."
Halo-drivenheten fungerar endast i närheten av ett svart hål, på ett avstånd av cirka fem till 50 gånger svarta hålets diameter. "Det är därför du måste resa till det närmaste svarta hålet först och [varför du] inte helt enkelt kan göra det över ljusårets rymd," sa Kipping. "Vi kräver fortfarande ett sätt att resa till stjärnor i närheten för att åka motorvägsystemet.
"Om vi vill uppnå relativistisk flygning tar det enorma energinivåer oavsett vilket framdrivningssystem du använder," tillade han. "Ett sätt att komma runt detta är att använda astronomiska objekt som din kraftkälla, eftersom de har bokstavligen astronomiska energinivåer inom dem. I det här fallet är den svarthåliga binären i huvudsak ett gigantiskt batteri som väntar på att vi ska knacka på den. Tanken är att arbeta med naturen och inte mot den. "
Kipping undersöker nu sätt att utnyttja andra astronomiska system för relativistisk flygning. Sådana tekniker "kanske inte är lika effektiva eller snabba som halo-drive-strategin, men dessa system har de djupa energireserver som krävs för dessa resor," sade Kipping.
- The Cataclysm Hunters: Sök efter dubbla svarta hål
- Dubbel svart hålkollision upptäckt av gravitationsvågdetektorer
- Laserframdrivning: Wild Idea May End Shine
