Sedan rymdålderns början har människor förlitat sig på kemiska raketer för att komma in i rymden. Även om denna metod verkligen är effektiv, är den också mycket dyr och kräver en avsevärd mängd resurser. När vi ser till mer effektiva sätt att komma ut i rymden måste man undra om liknande avancerade arter på andra planeter (där förhållandena skulle vara annorlunda) skulle förlita sig på liknande metoder.
Harvard-professor Abraham Loeb och Michael Hippke, en oberoende forskare ansluten till Sonneberg-observatoriet, båda behandlade denna fråga i två nyligen publicerade artiklar. Medan professor Loeb tittar på utmaningarna utomjordiska skulle möta raketer från Proxima b, överväger Hippke om utlänningar som bor på en Super-Earth skulle kunna komma ut i rymden.
Artiklarna, kaklade "Interstellar Escape from Proxima b är knappt möjligt med kemiska raketer" och "Spaceflight from Super-Earths is svårt" dök nyligen upp online, och författades av prof. Loeb respektive Hippke. Medan Loeb hanterar utmaningarna med kemiska raketer som flyr undan Proxima b, överväger Hippke huruvida samma raketer skulle kunna uppnå rymdhastighet alls.
För studiens skull övervägde Loeb hur vi människor har turen att leva på en planet som är väl lämpad för utrymmen. I grund och botten, om en raket ska fly från jordens yta och nå rymden, måste den uppnå en utrymningshastighet på 11.186 km / s (40.270 km / h; 25.020 mph). På liknande sätt är flyktningshastigheten som behövs för att komma bort från jordens plats runt solen cirka 42 km / s (151 200 km / h; 93,951 mph).
Som professor Loeb berättade för Space Magazine via e-post:
”Kemisk framdrivning kräver en bränslemassa som växer exponentiellt med terminalhastigheten. Vid ett lyckligt sammanfall är utrymningshastigheten från jordens bana runt solen vid gränsen för uppnåelig hastighet av kemiska raketer. Men den bebodda zonen kring svagare stjärnor är närmare, vilket gör det mycket mer utmanande för kemiska raketer att fly från den djupare gravitationstoppen där. "
Som Loeb indikerar i sin uppsats, skalar flukthastigheten som kvadratroten till stjärnmassan över avståndet från stjärnan, vilket innebär att utrymningshastigheten från den bebodda zonen skalar omvänt med stjärnmassan till en fjärdedels kraft. För planeter som Jorden, som kretsar inom den bebörliga zonen av en G-typ (gul dvärg) -stjärna som vår sol, fungerar detta ganska länge.
Tyvärr fungerar detta inte bra för markplaneter som kretsar runt stjärnor av M-typ (röd dvärg). Dessa stjärnor är den vanligaste typen i universum och står för 75% av stjärnorna endast i Vintergalaxen. Dessutom har nyligen genomförda exoplanetundersökningar upptäckt en mängd steniga planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnsystem, med vissa forskare som vågar att de är det mest troliga stället att hitta potentiellt bebodliga steniga planeter.
Med hjälp av vår närmaste stjärna som exempel (Proxima Centauri) förklarar Loeb hur en raket som använder kemisk drivmedel skulle ha mycket svårare tid att uppnå rymdhastighet från en planet som ligger inom den bebodliga zonen.
"Den närmaste stjärnan till solen, Proxima Centauri, är ett exempel på en svag stjärna med endast 12% av solens massa," sade han. ”För ett par år sedan upptäcktes det att denna stjärna har en jordstorlek planet, Proxima b, i sin beboeliga zon, som är 20 gånger närmare än jordens separering från solen. På den platsen är utrymningshastigheten 50% större än från jordens omloppsbana runt solen. En civilisation på Proxima b kommer att ha svårt att fly från deras plats till interstellarutrymme med kemiska raketer. ”
Hippkes papper, å andra sidan, börjar med att tänka på att jorden faktiskt inte är den mest bebodda typen av planet i vårt universum. Exempelvis skulle planeter som är mer massiva än jorden ha högre ytvikt, vilket innebär att de skulle kunna hålla fast vid en tjockare atmosfär, vilket skulle ge större skärmning mot skadliga kosmiska strålar och solstrålning.
Dessutom skulle en planet med högre gravitation ha en plattare topografi, vilket skulle resultera i skärgårdar istället för kontinenter och grundare hav - en idealisk situation när det gäller biologisk mångfald. Men när det gäller raketutskott skulle ökad ytvikt också innebära en högre utrymningshastighet. Som Hippke antydde i sin studie:
"Raketer lider av Tsiolkovsky (1903) -ekvationen: om en raket bär sitt eget bränsle är förhållandet mellan total raketmassa och sluthastighet en exponentiell funktion, vilket gör höga hastigheter (eller tung nyttolast) allt dyrare."
Som jämförelse använder Hippke Kepler-20 b, en Super-Earth som ligger 950 ljusår bort och är 1,6 gånger Jordens radie och 9,7 gånger den. Medan utrymningshastigheten från jorden är ungefär 11 km / s, skulle en raket som försöker lämna en Super-Jorden liknande Kepler-20b behöva uppnå en utrymningshastighet på ~ 27,1 km / s. Som ett resultat skulle en enstegsraket på Kepler-20b behöva bränna 104 gånger så mycket bränsle som en raket på jorden för att komma in i bana.
För att sätta det i perspektiv anser Hippke att specifika nyttolaster lanseras från jorden. "För att lyfta en mer användbar nyttolast på 6,2 ton som krävs för James Webb rymdteleskopet på Kepler-20 b skulle bränslemassan öka till 55 000 ton, ungefär massan av de största havsslagskeppen," skriver han. "För ett klassiskt Apollo-måneuppdrag (45 ton) skulle raketen behöva vara betydligt större, ~ 400 000 ton."
Medan Hippkes analys drar slutsatsen att kemiska raketer fortfarande skulle möjliggöra utrymningshastigheter på Super-Earths upp till 10 jordmassor, gör mängden drivmedel som behövs denna metod opraktisk. Som Hippke påpekade kan detta ha en allvarlig inverkan på en främmande civilisations utveckling.
”Jag är förvånad över att se hur nära vi som människor hamnar på en planet som fortfarande är rimligt lätt att rymma flygning,” sade han. ”Andra civilisationer, om de finns, kanske inte är lika lyckliga. På mer massiva planeter skulle rymdfärd bli exponentiellt dyrare. Sådana civilisationer skulle inte ha satellit-TV, ett månmission eller ett Hubble-rymdteleskop. Detta bör förändra deras sätt att utvecklas på vissa sätt som vi nu kan analysera mer detaljerat. ”
Båda dessa artiklar har några tydliga konsekvenser när det gäller sökandet efter utomjordisk intelligens (SETI). Till att börja med innebär det att civilisationer på planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor eller Super-Earths är mindre benägna att rymma, vilket skulle göra detekteringen av dem svårare. Det indikerar också att när det gäller de typer av framdrivning som mänskligheten känner till, kan vi vara i minoritet.
"Detta resultat ovan innebär att kemisk framdrivning har en begränsad nytta, så det skulle vara vettigt att söka efter signaler associerade med ljusskenor eller kärnmotorer, särskilt nära dvärgstjärnor," sade Loeb. "Men det finns också intressanta konsekvenser för vår egen civilisations framtid."
”En konsekvens av papperet är rymdkolonisering och SETI,” tilllade Hippke. ”Civs från Super-Earths är mycket mindre benägna att utforska stjärnorna. Istället skulle de (till viss del) "arresteras" på sin hemplanet, och t.ex. utnyttja mer lasrar eller radioteleskop för interstellär kommunikation istället för att skicka sonder eller rymdskepp. "
Både Loeb och Hippke noterar emellertid också att utomjordiska civilisationer skulle kunna hantera dessa utmaningar genom att använda andra framdrivningsmetoder. I slutändan kan kemisk framdrivning vara något som få tekniskt avancerade arter skulle använda eftersom det helt enkelt inte är praktiskt för dem. Som Loeb förklarade:
”En avancerad utomjordisk civilisation skulle kunna använda andra framdrivningsmetoder, till exempel kärnkraftsmotorer eller ljusseglar som inte begränsas av samma begränsningar som kemisk framdrivning och kan nå hastigheter så höga som en tiondel av ljusets hastighet. Vår civilisation utvecklar för närvarande dessa alternativa framdrivningsteknologier, men dessa ansträngningar är fortfarande i början. ”
Ett sådant exempel är Breakthrough Starshot, som för närvarande utvecklas av Breakthrough Prize Foundation (varav Loeb är ordförande för den rådgivande kommittén). Detta initiativ syftar till att använda en laserdriven ljussegel för att påskynda ett nanokraft upp till hastigheter på 20% ljusets hastighet, vilket gör att det kan resa till Proxima Centauri på bara 20 år.
Hippke anser på liknande sätt kärnraketer som en genomförbar möjlighet, eftersom ökad yttyngd också skulle innebära att rymdhissar skulle vara opraktiska. Loeb indikerade också att begränsningarna som planeterna kring stjärnor med låg massa skulle kunna få konsekvenser för när människor försöker kolonisera det kända universum:
”När solen värms upp tillräckligt för att koka allt vatten från jordens yta kan vi flytta till ett nytt hem då. Några av de mest önskvärda destinationerna skulle vara system med flera planeter runt stjärnor med låg massa, till exempel den närliggande dvärgstjärnan TRAPPIST-1 som väger 9% av en solmassa och är värd för sju jordstorlekar. När vi väl når den bebodda zonen TRAPPIST-1 skulle det emellertid inte vara brådska att fly. Sådana stjärnor bränner väte så långsamt att de kunde hålla oss varma i tio biljoner år, ungefär tusen gånger längre än solens livstid. ”
Men under tiden kan vi vila lätt i kunskapen om att vi lever på en beboelig planet runt en gul dvärgstjärna, som ger oss inte bara liv, utan förmågan att komma ut i rymden och utforska. Som alltid, när det gäller att leta efter tecken på utomjordiskt liv i vårt universum, tvingas vi människor att ta "låghängande fruktmetod".
I grund och botten är den enda planeten vi känner till som stöder livet Jorden, och det enda sättet att utforska rymden som vi vet hur vi ska leta efter är de vi själva har testat och testat. Som ett resultat är vi något begränsade när det gäller att leta efter biosignaturer (dvs planeter med flytande vatten, syre och kvävgasatmosfärer etc.) eller teknosignaturer (dvs. radiosändningar, kemiska raketer, etc.).
När vår förståelse för vilka förhållanden livet kan uppstå under ökar och vår egen teknik utvecklas, kommer vi att ha mer att se upp för. Och förhoppningsvis kommer det utomjordiska livet att leta efter oss, trots de ytterligare utmaningar det kan möta!
Professor Loebs uppsats publicerades också nyligen i Scientific American.
