Als het gaat om de uitdagingen van interstellaire reizen, er zijn geen gemakkelijke antwoorden. De afstanden zijn enorm, de hoeveelheid energie die nodig is om de reis te maken is enorm, en de betrokken tijdschalen zijn (geen woordspeling!) astronomisch. Maar wat als er een manier was om tussen sterren te reizen met schepen die profiteren van natuurlijke fenomenen om relativistische snelheden te bereiken (een fractie van de snelheid van het licht)?

Nu al, wetenschappers hebben situaties geïdentificeerd waarin objecten in het universum dit kunnen doen, inclusief hypervelocity-sterren en meteoren die worden versneld door supernova-explosies. Hier verder op ingaan, Harvard-professoren Manasvi Lingam en Abraham Loeb hebben onlangs onderzocht hoe interstellaire ruimtevaartuigen de golven van een supernova-explosie kunnen opvangen op dezelfde manier als zeilschepen de wind benutten.

De studie die hun onderzoek beschrijft, "Voortstuwing van ruimtevaartuigen naar relativistische snelheden met behulp van natuurlijke astrofysische bronnen, " verscheen onlangs online en was ook het onderwerp van een artikel op Wetenschappelijke Amerikaan . Zoals ze in hun studie uitleggen, het is mogelijk dat een voldoende geavanceerde beschaving de uitbarstingen van energie die vrijkomt door supernova's zou kunnen gebruiken om ruimtevaartuigen te versnellen tot relativistische snelheden.

Deze ruimtevaartuigen zouden de explosieve kracht kunnen benutten met behulp van een licht zeil (ook bekend als een zonnezeil) of een magnetisch zeil, twee voortstuwingsconcepten die uitvoerig zijn onderzocht door astrofysici. Deze concepten vertrouwen op de elektromagnetische straling die door de zon wordt gegenereerd om druk te creëren tegen een sterk reflecterend zeil, waardoor voortstuwing wordt gegenereerd op een manier die geen motoren of drijfgas vereist.

Aangezien drijfgas een van de belangrijkste bijdragen is aan de totale massa van een ruimtevaartuig, lichte zeil/magnetische zeilconcepten hebben het voordeel veel lichter te zijn dan conventionele ruimtevaartuigen - en daarom, veel goedkoper om in de ruimte te lanceren. Een andere mogelijkheid is om te vertrouwen op gerichte energie (lasers) om dit soort ruimtevaartuigen te versnellen, waardoor het snelheden kan bereiken die veel hoger zijn dan wat mogelijk zou zijn met alleen zonnestraling.

Prof. Loeb, die behalve de Frank D. Baird Jr. Professor of Science aan de Harvard University, is ook de voorzitter van de adviescommissie van Breakthrough Starshot. Als onderdeel van de non-profitorganisatie Breakthrough Initiatives, Starshot werkt momenteel aan de creatie van een lichtzeil dat door lasers zou worden versneld tot een snelheid van 20% van de snelheid van het licht, waardoor het in slechts 20 jaar de reis naar Alpha Centauri kan maken.

Zoals Loeb via e-mail aan Universe Today vertelde, terwijl hij nadacht hoe zo'n ruimtevaartuig op natuurlijke wijze kon worden versneld, kwam het idee bij hem op om supernova te gebruiken:

"In december 2019, mijn vrouw en twee dochters waren op reis en ik had de luxe om een ​​week alleen thuis te blijven en na te denken over wetenschap. Tijdens het douchen, Ik dacht erover na dat de zon niet effectief is in het lanceren van lichte zeilen op hoge snelheid, maar een helderdere lichtbron zou kunnen zijn. Ik volgde deze gedachte met gedetailleerde berekeningen over supernova's, die een week lang miljarden keren helderder zijn dan de zon, en realiseerde zich dat lichtzeilen met bestaande parameters de lichtsnelheid kunnen bereiken als ze strategisch van tevoren rond de massieve ster worden geplaatst die op het punt staat te ontploffen."

Oorspronkelijk, Loeb legde dit idee uit in een artikel dat verscheen in Wetenschappelijke Amerikaan op 6 februari, 2020, getiteld "Surfen op een supernova." Het originele artikel is ook beschikbaar op de website van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Zoals hij daar betoogde, een supernova zou in staat zijn om een ​​licht zeil dat "minder dan een halve gram per vierkante meter weegt" te versnellen tot relativistische snelheden, " al was het miljoenen kilometers ver weg.

Simpel gezegd, de energie en helderheid die door een supernova worden gegenereerd, zijn gelijk aan wat een miljard zonnen in een gemiddelde maand zouden produceren. Terwijl zonnewind een licht zeil slechts tot een duizendste van de lichtsnelheid zou kunnen duwen (0,01% of 0,001 c), een supernova kan een zeil gemakkelijk versnellen tot een tiende van de lichtsnelheid (0,1 c).

"Mijn medewerker, Manasvi Lingam, zag mijn commentaar en suggereerde dat we een volwaardig wetenschappelijk artikel over dit onderwerp zouden schrijven om de haalbaarheid te onderzoeken van het lanceren van lichtzeilen met de snelheid van het licht rond andere heldere bronnen, ook, zoals zwarte gaten of pulsars, "zei Loeb. "Ik heb mijn aantekeningen met hem gedeeld en ze hebben ons gezamenlijke papier gezaaid."

Om deze hypothese te testen, Lingam en Loeb onderzochten hoe een lichtzeil kan worden versneld door de explosie van een aantal astrofysische objecten. Dit omvatte massieve sterren, microquasars, supernova's, pulsarwind nevels, en actieve galactische kernen. als Lingam, wie de hoofdauteur was van het resulterende artikel, uitgelegd aan Universe Today via e-mail:

"We hebben wiskundige modellen ontwikkeld om de maximale snelheid te bepalen die haalbaar is met lichte zeilen en elektrische zeilen. De maximale snelheden varieerden afhankelijk van het gebruikte voortstuwingssysteem, evenals de astrofysische objecten in overweging."

Voor iedereen die de middelen heeft, de voordelen van deze aanpak zijn duidelijk. In vergelijking met conventionele lichte zeilen en magnetische zeilen, een zeil dat profiteert van de boost die een exploderende ster biedt, zou relativistische snelheden kunnen bereiken zonder dat er dure infrastructuur nodig is (d.w.z. een grote laserreeks).

Natuurlijk, de nadelen van een dergelijke methode zijn ook duidelijk. Voor starters, er is de kwestie van timing. Niet alleen zijn supernova's zeldzaam; wetenschappers zijn niet in staat om ze nauwkeurig te voorspellen met iets anders dan een grote foutenmarge - vaak miljoenen jaren. Iedereen die hoopt te profiteren van exploderende sterren, moet nauwkeurigere schattingen kunnen maken en bereid zijn om heel lang te wachten.

Maar zoals Lingam en Loeb onderzochten, de nadelen gaan verder dan dit en omvatten de specifieke gevaren die door supernova's worden veroorzaakt. Zoals Loeb aangaf:

"De belangrijkste uitdagingen zijn wrijving met het omringende gas, die dicht kan zijn in de buurt van een massieve ster als gevolg van massaverlies door wind. Je kunt de uitdaging overwinnen door het zeil tijdens de reis op te vouwen, behalve tijdens de lanceringsperiode, wanneer het openen van het zeil kan worden geactiveerd door de supernova-lichtflits."

Daarbovenop, er zijn technische en ontwerpuitdagingen die vooraf moeten worden aangepakt. Eerst, de zeilen moeten van sterk reflecterend materiaal zijn gemaakt om te voorkomen dat ze te veel warmte opnemen en verbranden. Tweede, ze zouden ook in een opgevouwen configuratie moeten worden geplaatst totdat de ster explodeert om te voorkomen dat ze door zonnestraling van hun lanceerpunt worden weggeduwd.

Eindelijk, het versnellingspad van het zeil moet van tevoren zorgvuldig worden geselecteerd om obstakels te vermijden en het risico op aanvaring met grote objecten (zoals asteroïden) te minimaliseren. als laatste, het zeil zelf moet een soort van afscherming of configuratie hebben om het te beschermen tegen gas en vaste deeltjes in de interstellaire ruimte. Aangezien het zeil met een ongelooflijk hoge snelheid zal reizen, zelfs de kleinste deeltjes zouden een extreem botsingsrisico opleveren.

Zoals Lingam uitlegde, hun resultaten tonen aan dat deze uitdagingen overkomelijk zijn:

"Er zijn veel uitdagingen, zoals zeilstabilisatie, behoud van een hoge reflectie en het voorkomen van verwarming, en het vermijden van schade tijdens het reizen in de bronomgeving en het interstellaire medium. De meeste van deze problemen kunnen worden opgelost, althans in principe door gebruik te maken van elektrische zeilen in plaats van lichte zeilen. Alternatief, als men besluit het bij lichte zeilen te houden, dan zal men tijdens sommige fasen van de reis het zeil moeten opvouwen, kies een ongewone zeilarchitectuur, en vertrouwen op nanofotonische structuren om de stabiliteit te verbeteren."

Kortom, hun resultaten laten zien dat een voldoende geavanceerde soort in staat zou zijn om lichte zeilen/magnetische zeilen rond stervende sterren te plaatsen, zodat ze kunnen worden versneld zodra de ster explodeert. Deze zeilen zouden kunnen dienen als koeriersvaartuigen, het bestaan ​​van geavanceerde beschavingen aantonen door naar bewoonde sterrenstelsels te reizen.

In dit opzicht, de haalbaarheid van dit interstellaire concept zou implicaties kunnen hebben voor de lopende Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI). Zoals Loeb en collega's in eerdere studies hebben betoogd, de mogelijkheid van voortstuwing met gerichte energie betekent dat foutieve flitsen van laseractiviteit kunnen worden geïnterpreteerd als een teken van technologische activiteit (AKA-technosignaturen).

"Dit conceptuele paradigma weerspiegelt de geest van Dyson-sferen, de megastructuren die door Freeman Dyson zijn verondersteld voor het oogsten van de energie van sterren die waarschijnlijk niet zullen exploderen, " zei Loeb. "Als we het geluk hebben veel technologische beschavingen in onze melkweg te hebben, er kunnen zwermen lichtzeilen rond massieve sterren zijn, geduldig wachten op hun explosies."

"Bij het zoeken naar technosignaturen, ons werk suggereert dat je in de buurt van hoogenergetische astrofysische bronnen zoals supernova's en quasars naar radiosignalen zou kunnen kijken, enzovoort, " voegde Lingam eraan toe. "Natuurlijk, de kans op succes is volledig afhankelijk van het bestaan ​​van dergelijke geavanceerde technologieën - dit is een vraag waarop we nog geen antwoord hebben."

Voorlopig, het lijkt erop dat de Fermi Paradox nog een tijdje zal duren. Maar met meer dingen om op te letten, en met de volgende generatie telescopen die zeer binnenkort online komen, we zijn goed toegerust om bewijs van buitenaardse intelligentie te vinden (als die te vinden is).