З початку космічної ери люди покладаються на хімічні ракети, щоб потрапити в космос. Хоча цей метод, безумовно, ефективний, він також дуже дорогий і вимагає значних ресурсів. Очікуючи більш ефективні засоби виходу в космос, треба замислитися, чи не будуть подібні методи розвиватися на інших планетах (де умови були б інші) на подібні методи.
Професор Гарвардського університету Абрахам Лоб та Майкл Хіппке, незалежний дослідник, що асоціювався з Обсерваторією Сонеберг, обидва вирішили це питання у двох нещодавно опублікованих статтях. Тоді як професор Лоб розглядає виклики, які стоять перед земними ракетами з Проксіми b, Хіппке вважає, чи зможуть прибути в космос прибульці, які живуть на Супер-Землі.
Нещодавно в Інтернеті з’явилися газети з плиткою "Втеча міжзоряних з Проксима b" з хімічними ракетами "та" Космічний політ із Супер-Землі важкий ", і їх авторами були відповідно професори Лоб та Хіппке. Якщо Лоб вирішує проблеми хімічних ракет, що рятуються від Proxima b, Хіппке розглядає, чи зможуть ті самі ракети досягти швидкості втечі чи ні.
Заради свого дослідження Лоб розглядав, як нам людям пощастило жити на планеті, яка добре підходить для космічних ракет. По суті, якщо ракета повинна вирватися з поверхні Землі і досягти космосу, їй потрібно досягти швидкості втечі 11,186 км / с (40,270 км / год; 25,020 миль / год). Аналогічно, швидкість втечі, необхідна для відходу від місця Землі навколо Сонця, становить близько 42 км / с (151 200 км / год; 93,951 миль / год).
Як розповів професор Лоб, "Космічний журнал" електронною поштою:
«Для хімічного руху потрібна маса палива, яка зростає експоненціально із кінцевою швидкістю. За щасливим збігом обставин швидкість втечі з орбіти Землі навколо Сонця знаходиться на межі досяжної швидкості хімічними ракетами. Але зона проживання навколо слабких зірок знаходиться ближче, що робить хімічним ракетам набагато складніше вирватися з глибшої гравітаційної ями.
Як вказує Леб у своєму нарисі, швидкість втечі масштабується як квадратний корінь зоряної маси на відстані від зірки, з чого випливає, що швидкість втечі із заселеної зони масштабується обернено зі зоряною масою до потужності однієї чверті. Для таких планет, як Земля, що обертаються навколо зони житлової зірки типу G (жовтий карлик), як наше Сонце, це працює досить довго.
На жаль, це не дуже добре працює для планет земної кулі, які обертаються навколо зірок М-типу (червоний карлик) меншої маси. Ці зірки є найпоширенішим типом у Всесвіті, на них припадає 75% зірок лише в Галактиці Чумацького Шляху. Крім того, нещодавні дослідження екзопланет виявили безліч скельних планет, що обертаються навколо систем червоних карликових зірок, а деякі вчені ризикують, що вони є найбільш імовірним місцем пошуку потенційно мешканців скельних планет.
Використовуючи для прикладу найближчу зірку (Proxima Centauri), Лоб пояснює, як ракета, яка використовує хімічний паливо, буде набагато складніше досягти швидкості втечі з планети, розташованої в зоні її проживання.
"Найближча до Сонця зірка, Проксима Кентаврі, є прикладом для слабкої зірки з лише 12% маси Сонця", - сказав він. «Пару років тому було виявлено, що у цієї зірки є планета розміру Земля, Проксима b, у своїй заселеній зоні, яка в 20 разів ближче, ніж відділення Землі від Сонця. У цьому місці швидкість втечі на 50% більша, ніж з орбіти Землі навколо Сонця. Цивілізації на Proxima b буде важко втекти зі свого місця в міжзоряний простір з хімічними ракетами. "
Папір Гіппке, з іншого боку, починається з того, що Земля насправді може бути не найпоширенішим типом планети у нашому Всесвіті. Наприклад, планети, які є більш масивними, ніж Земля, мали б більшу поверхневу гравітацію, а значить, вони змогли б утриматись у більш товстій атмосфері, що забезпечило б більший захист від шкідливих космічних променів та сонячного випромінювання.
Крім того, планета з більшою силою тяжіння мала б більш плоску топографію, внаслідок чого архіпелаги замість материків та мілких океанів - ідеальна ситуація, коли йдеться про біорізноманіття. Однак, якщо мова йде про запуски ракет, підвищена гравітація поверхні також означатиме більшу швидкість втечі. Як зазначив Гіппке у своєму дослідженні:
"Ракети страждають від рівняння Ціолковського (1903): якщо ракета несе власне паливо, відношення загальної маси ракети проти кінцевої швидкості є експоненціальною функцією, що робить високі швидкості (або великі корисні навантаження) все більш дорогими".
Для порівняння, Hippke використовує Kepler-20 b, супер-Землю, розташовану за 950 світлових років, що в 1,6 рази більше радіуса Землі і в 9,7 рази більше її маси. Тоді як швидкість втечі з Землі становить приблизно 11 км / с, ракета, яка намагається залишити Супер-Землю, схожу на Кеплер-20 b, потребує досягнення швидкості втечі ~ 27,1 км / с. В результаті, одноступінчаста ракета на Kepler-20 b повинна була б спалити 104 рази більше палива, ніж ракета на Землі, щоб потрапити на орбіту.
Щоб поставити це в перспективу, Гіппке вважає, що конкретні корисні навантаження запускаються з Землі. "Щоб підняти більш корисну корисну вагу в 6,2 т, як це потрібно для космічного телескопа Джеймса Вебба на Kepler-20 b, маса палива зросла б до 55 000 т, що стосується маси найбільших океанських лінкорів", - пише він. "Для класичної місії на Місяць Аполлон (45 т) ракета повинна була бути значно більшою, ~ 400 000 т."
Хоча аналіз Хіппке робить висновок, що хімічні ракети все-таки дозволять швидкості виходу на Супер-Землі до 10 мас Землі, необхідна кількість палива робить цей метод недоцільним. Як зазначав Гіппке, це може серйозно вплинути на розвиток чужої цивілізації.
"Я здивований, бачу, наскільки близько ми, як люди, опинилися на планеті, яка все ще досить легка для проведення космічних польотів", - сказав він. «Іншим цивілізаціям, якщо вони існують, можливо, не пощастить. На більш масивних планетах космічний політ був би експоненціально дорожчим. Такі цивілізації не мали б супутникового телебачення, місячної місії чи космічного телескопа Хаббла. Це має змінити їхній шлях розвитку певними шляхами, які ми зараз можемо більш детально проаналізувати ».
Обидва ці документи представляють певні чіткі наслідки, що стосуються пошуку позаземної розвідки (SETI). Для початківців це означає, що цивілізації на планетах, які обертаються навколо червоних карликових зірок або Супер-Землі, є менш ймовірними для космічного далекогляду, що ускладнить їх виявлення. Це також вказує на те, що якщо мова йде про види рушій, якими знайоме людство, ми можемо бути в меншості.
"Вищезгадані результати означають, що хімічний рух має обмежену корисність, тому було б доцільно шукати сигнали, пов'язані з ліхтарями або ядерними двигунами, особливо біля карликових зірок", - сказав Лоб. "Але є також цікаві наслідки для майбутнього нашої цивілізації".
"Одним із наслідків цього документу є колонізація космосу та SETI", - додав Гіппке. «Громадяни із Супер-Землі набагато рідше досліджують зірки. Натомість вони були б (певною мірою) «заарештовані» на рідній планеті, наприклад, більше використовувати лазери або радіотелескопи для міжзоряного зв'язку, а не для надсилання зондів або космічних кораблів. "
Однак і Лоб, і Гіппке також відзначають, що позаземні цивілізації можуть вирішити ці проблеми, застосовуючи інші методи рушійного руху. Зрештою, хімічне рушієння може стати чимось, що мало хто з технологічно розвинених видів прийняв би, оскільки це для них просто не практично. Як пояснив Лоб:
«Прогресивна позаземна цивілізація могла б використовувати інші способи руху, такі як ядерні двигуни або ліхтарі, які не обмежені тими ж обмеженнями, що і хімічне рушій, і можуть досягати швидкості, що становить десяту частину швидкості світла. Наша цивілізація в даний час розробляє ці альтернативні технології приведення в рух, але ці зусилля ще знаходяться на стадії зародження ».
Одним із таких прикладів є Breakthrough Starshot, який зараз розробляється Фондом Breakthrough Prize (головою Консультативного комітету є Лоб). Ця ініціатива має на меті використовувати лазерний ліхтарик для прискорення наномашини до 20% швидкості світла, що дозволить їй подорожувати до Проксима Центаври всього за 20 років.
Хіппке аналогічно розглядає ядерні ракети як життєздатну можливість, оскільки посилення сили поверхні також означатиме, що космічні ліфти будуть недоцільними. Лєб також зазначив, що обмеження, встановлені планетами навколо зірок з низькою масою, можуть мати наслідки для людей, коли намагаються колонізувати відомий Всесвіт:
"Коли сонце нагріється достатньо, щоб кип'ятити всю воду з лиця Землі, ми вже тоді зможемо переїхати до нового будинку. Одними з найбільш бажаних напрямків були б системи багатьох планет навколо зірок з низькою масою, наприклад, сусідня карликова зірка TRAPPIST-1, яка важить 9% від сонячної маси і розміщує сім планет розміром із Землею. Однак, як тільки ми потрапимо до зони проживання TRAPPIST-1, втекти вже не буде. Такі зірки спалюють водень настільки повільно, що можуть тримати нас в теплі протягом десяти трильйонів років, приблизно в тисячу разів довше, ніж час життя Сонця ».
Але тим часом ми можемо легко відпочити, дізнавшись, що ми живемо на заселеній планеті навколо жовтої карликової зірки, яка дає нам не тільки життя, а й можливість вийти у космос та досліджувати. Як завжди, коли йдеться про пошук ознак позаземного життя у нашому Всесвіті, ми, люди, змушені застосовувати «низько підвісний фруктовий підхід».
В основному, єдина планета, яка нам відома, що підтримує життя, - це Земля, і єдиним засобом дослідження космосу, якого ми знаємо, як шукати, є ті, які ми самі пробували і перевіряли. Як результат, ми дещо обмежені, коли йдеться про пошук біосигнатур (тобто планет з рідкою водою, атмосферою кисню та азоту тощо) або техносигнатур (тобто радіопередач, хімічних ракет тощо).
Оскільки наше розуміння того, в яких умовах може виникати життя при збільшенні, і власний прогрес у технології, нам доведеться більше шукати. І, сподіваємось, незважаючи на додаткові виклики, з якими він може зіткнутися, позаземне життя шукатиме нас!
Реферат професора Лоб також нещодавно був опублікований у "Науковій американській".
