Tanken på att en dag resa till ett annat stjärnsystem och se vad som finns där har varit människors febriga dröm långt innan de första raketerna och astronauterna skickades till rymden. Men trots alla framsteg vi har gjort sedan början av den Rymdåldern , interstellära resor förblir just det – en febrig dröm. Även om teoretiska koncept har föreslagits är frågorna om kostnad, restid och bränsle fortfarande mycket problematiska.
Många förhoppningar hänger för närvarande på användningen av riktad energi och ljussegel för att driva små rymdfarkoster till relativistiska hastigheter. Men tänk om det fanns ett sätt att göra större rymdfarkoster tillräckligt snabba för att genomföra interstellära resor? Enligt Prof. David Kipping – ledaren för Columbia University Coola världar lab – framtida rymdfarkoster skulle kunna lita på en Halo Drive , som använder gravitationskraften från ett svart hål för att nå otroliga hastigheter.
Prof. Kipping beskrev detta koncept i en nyligen publicerad studie uppkopplad (förtrycket finns också tillgängligt på Coola världar hemsida). I den tog Kipping upp de enskilt största utmaningarna som rymdutforskningen innebär, vilket är den stora mängd tid och energi det skulle ta att skicka en rymdfarkost på ett uppdrag för att utforska bortom vårt solsystem.
Som Kipping sa till Universe Today via e-post:
'Interstellära resor är en av de mest utmanande tekniska bedrifterna vi kan tänka oss. Även om vi kan föreställa oss att driva mellan stjärnorna under miljontals år – vilket är legitimt interstellärt resor – för att uppnå resor på tidsskalor av århundraden eller mindre kräver relativistisk framdrivning.”
Som Kipping uttryckte det är relativistisk framdrivning (eller acceleration till en bråkdel av ljusets hastighet) mycket dyrt i termer av energi. Befintliga rymdfarkoster har helt enkelt inte bränslekapaciteten för att kunna komma upp i den typen av hastigheter, och saknar detonerande kärnvapen för att generera dragkraft – à de Projekt Orion (video ovan) – eller bygga en fusion ramjet – à la Projekt Daedalus – Det finns inte många alternativ.
Under de senaste åren har uppmärksamheten skiftat mot idén att använda ljussegel och nanocraft för att utföra interstellära uppdrag. Ett välkänt exempel på detta är Genombrott Starshot , ett initiativ som syftar till att skicka ett rymdskepp i smartphonestorlek till Alpha Centauri under vår livstid. Med hjälp av en kraftfull laseruppsättning skulle ljusseglet accelereras till hastigheter på upp till 20 % av ljusets hastighet – vilket gör resan på 20 år.
'Men även här talar du om flera terrajoule energi för den mest minimalistiska (en gram-massa) rymdfarkost som kan tänkas,' sa Kipping. 'Det är den kumulativa energiproduktionen från kärnkraftverk som körs i veckor i sträck (som vi för övrigt 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 vad som kallas ' Dyson Slingshot ', föreslogs en idé av den vördade teoretiske fysikern Freeman Dyson (sinnet bakom Dyson Sphere ). I boken från 1963, Interstellär kommunikation (Kapitel 12: ' Gravitationsmaskiner “), Dyson beskrev hur rymdfarkoster kunde slunga runt kompakta dubbelstjärnor för att få en betydande ökning i hastighet.
Som Dyson beskrev det, ett skepp som skulle skickas till ett kompakt binärt system (två neutronstjärnor som kretsar runt varandra) där det skulle utföra en gravitationshjälpmanöver . Detta skulle bestå av att rymdskeppet tar upp fart från binärens intensiva gravitation – lägger till motsvarande två gånger deras rotationshastighet till sin egen – innan det kastas ut ur systemet.
Även om möjligheten att utnyttja denna typ av energi för framdrivningens skull var mycket teoretisk på Dysons tid (och fortfarande är det), men Dyson gav två skäl varför 'gravitationsmaskiner' var värda att utforska:
'För det första, om vår art fortsätter att expandera sin befolkning och sin teknologi i en exponentiell takt, kan det komma en tid i en avlägsen framtid där ingenjörskonst i astronomisk skala kan vara både genomförbart och nödvändigt. För det andra, om vi letar efter tecken på tekniskt avancerat liv som redan existerar någon annanstans i universum, är det användbart att överväga vilken typ av observerbara fenomen en riktigt avancerad teknologi kan vara kapabel att producera.'
Konstnärens intryck av att slå samman binära svarta hål. Kredit: LIGO/A. Simonnet.
Kort sagt, gravitationsmaskiner är värda att studera ifall de blir möjliga någon gång, och eftersom denna studie kan tillåta oss att upptäcka möjliga utomjordiska intelligenser (ETI) genom de teknosignaturer som sådana maskiner skulle skapa. Kipping utvidgar detta och överväger hur svarta hål – särskilt de som finns i binära par – skulle kunna utgöra ännu mer kraftfulla gravitationsslungor.
Detta förslag är delvis baserat på den senaste framgången för Laserinterferometer gravitationsvågobservatorium (LIGO), som har plockat flera gravitationsvågsignaler sedan först upptäcktes 2016 . Enligt nya uppskattningar baserade på dessa upptäckter kan det finnas så många som 100 miljoner svarta hål bara i Vintergatans galax.
Där binärer förekommer har de en otrolig mängd rotationsenergi, vilket är resultatet av deras spinn och hur de snabbt kretsar runt varandra. Dessutom, som Kipping noterar, kan svarta hål också fungera som en gravitationsspegel – där fotoner riktade mot kanten av händelsehorisonten kommer att böja sig runt och komma rakt tillbaka vid källan. Som Kipping uttryckte det:
'Så det binära svarta hålet är egentligen ett par gigantiska speglar som cirklar runt varandra med potentiellt hög hastighet. Halo-driften utnyttjar detta genom att studsa fotoner från 'spegeln' när spegeln närmar sig dig, fotonerna studsar tillbaka, driver dig framåt, men stjäl också en del av energin från det svarta hålets binära själv (tänk på hur en pingisboll kastas mot en rörlig vägg skulle komma tillbaka snabbare). Genom att använda denna inställning kan man skörda den binära svarta hålsenergin för framdrivning.'
Konstnärens uppfattning om händelsehorisonten för ett svart hål. Kredit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library
Denna framdrivningsmetod erbjuder flera uppenbara fördelar. Till att börja med erbjuder det användarna möjligheten att resa med relativistiska hastigheter utan behov av bränsle, vilket för närvarande står för majoriteten av en bärrakets massa. Det finns också de många, många svarta hålen som finns över Vintergatan, som skulle kunna fungera som ett nätverk för relativistiska rymdresor.
Dessutom har forskare redan bevittnat kraften hos gravitationell slangbella tack vare upptäckten av stjärnor med hög hastighet. Enligt forskning från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), dessa stjärnor är ett resultat av galaktiska sammanslagningar och interaktion med massiva svarta hål, vilket gör att de kastas ut ur sina galaxer med en tiondel till en tredjedel av ljusets hastighet – ~30 000 till 100 000 km/s (18 600 till 62 000 mps).
Men självklart kommer konceptet med otaliga utmaningar och mer än några få nackdelar. Förutom att bygga rymdfarkoster som skulle kunna slängas runt händelsehorisonten för ett svart hål, finns det också den enorma mängd precision som behövs – annars kan fartyget och besättningen (om det har en) hamna i att dras isär i maven av det svarta hålet. Utöver det är det bara frågan om att nå en:
'[Den] sak har en enorm nackdel för oss i att vi först måste komma till ett av dessa svarta hål. Jag tenderar att tänka på det som ett interstellärt motorvägssystem – du måste betala en engångsavgift för att komma på motorvägen, men när du väl är på kan du åka över galaxen så mycket du vill utan att förbruka mer bränsle.”
Utmaningen om hur mänskligheten kan gå tillväga för att nå det närmaste lämpliga svarta hålet kommer att bli föremål för Kippings nästa papper, indikerade han. Och medan en idé som denna är ungefär lika avlägsen för oss som att bygga en Dyson-sfär eller använda svarta hål för att driva rymdskepp , det erbjuder några ganska spännande möjligheter för framtiden.
Kort sagt, konceptet med en gravitationsmaskin för svarta hål presenterar mänskligheten för en rimlig väg att bli en interstellär art. Under tiden kommer studien av konceptet att ge SETI-forskare en annan möjlig teknosignatur att leta efter. Så tills dagen kommer då vi kanske provar något sådant här själva, kommer vi att kunna se om någon annan art redan har tagit ett hugg på det och fått det att fungera!
Vidare läsning: Coola världar