У минулому році відомий фізик-теоретик Стівен Хокінг і російський мільярдер Юрій Мільнер оголосили про амбітний план по запуску крихітного космічного апарата до системи Альфа Центавра. Зрозуміло, настільки амбітний план вимагає пошуку не менш амбітних рішень. Наприклад, одна з невирішених проблем пов’язана з тим, яким чином космічний апарат, який рухається з однією п’ятою швидкості світла, зможе зупинитися після того, як досягне своєї точки призначення. Буде він взагалі здатний на такий маневр?
Деякі європейські вчені, здається, знайшли потрібну відповідь на це питання. У роботі, опублікованій в журналі The Astrophysical Journal Letters, фізик Рене Хеллер з Інституту Макса Планка і комп’ютерний фахівець Майкл Хіппке розповідають про те, як для уповільнення космічного апарата можна буде використовувати випромінювання і гравітацію зірок системи Альфа Центавра. На думку вчених, замість того щоб просто промайнути повз, крихітний космічний апарат, обладнаний світловим вітрилом, зможе досить сповільнитися, щоб у деталях вивчити потрійну зоряну систему і, можливо, навіть землеподібну планету Проксіма b, знаходиться біля однієї з зірок цієї системи.
Нагадаємо, що в рамках проекту Breakthrough Starshot Initiative Мільнер планує інвестувати 100 мільйонів доларів у розробку надлегкого автономного космічного апарату зі світловим вітрилом, який зможе розігнатися до 1/5 швидкості світла (близько 60 000 км/с). Завдяки цьому роботизований зонд зможе досягти Альфи Центавра – найближчої до Землі зоряної системи – всього за 20 років, а не за 100 000, як у випадку використання традиційних хімічних прискорювачів.
Згідно з оригінальним планом Мільнера і Хокінга, до крихітному зонду буде прикріплений компактний, розміром кілька метрів, світловий парус, керований за допомогою фазованої решітки лазерів. Енергії, виробленої цими лазерами, теоретично буде достатньо для того, щоб прискорити крихітний зонд до швидкостей набагато вищих, ніж здатні показати найшвидші на сьогоднішній момент космічні апарати.
Рендер запропонованої технології світлового вітрила
Однак це не єдина із запропонованих схема реалізації цього проекту. Згідно варіанту Хеллера і Хіппке, використання більшого за розміром «фотонного» вітрила дозволить відмовитися від необхідності задіяти лазерну решітку. При цьому сам зонд буде розміром всього в декілька сантиметрів і вагою всього кілька грамів. Для прискорення і виходу в міжзоряний простір апарат буде обладнаний декількома великими, але в той же час дуже легкими, тонкими і міцними вітрилами. За запропонованим європейськими вченими сценарієм в бік Альфи Центавра зонд буде штовхати випромінювання нашого Сонця. При досягненні необхідного рівня інерції, апарат складе вітрила і продовжить свою подорож у бік сусідньої зоряної системи.
Вчені вважають, що в цьому випадку зонд зможе розвинути 4,6 відсотка від швидкості світла і приблизно за 95 років досягне Альфи Центавра. Так, це майже в п’ять разів довше, ніж в оригінальному плані Мільнера і Хокінга, однак у теорії це серйозно спростить завдання по зупинці зонда в потрібному місці.
«Міжзоряна подорож до системи Альфа Центавра імовірно буде відбуватися на швидкостях, що дозволяють скоротити час цієї подорожі до менш однієї тисячі, а в ідеалі – до менш однієї сотні років. При такій швидкості космічного апарату потрібно неймовірно великий запас енергії для уповільнення і виходу на потрібні орбіти», — говорить Хеллер.
«Використання якого б не було палива лише ускладнить проект в цілому. Якщо корабель потребує наявності палива на борту, то сам він в цьому випадку буде дуже важким, що, в свою чергу, лише сильніше підвищить необхідність в наявності ще більшого запасу палива».
Враховуючи ці обмеження, а також відсутність на даний момент відповідного рішення, вчені припускають, що зонд в такому випадку просто пронесеться повз Альфу Центавру, як це було з космічним апаратом «Нові горизонти», який пролетів в свій час повз Плутон. Але знову ж, якщо врахувати різницю швидкості, зонд, на відміну від «Нових горизонтів», не зможе забезпечити хоч якісь більш-менш точні вимірювання цієї зоряної системи. На щастя, на думку двох вчених, є варіант, який в теорії дозволить не тільки сповільнити космічний апарат до прийнятних швидкостей в потрібній точці, але і провести детальне дослідження системи Альфи Центавра.
«Ми знайшли метод, який дозволяє уповільнити космічний апарат з допомогою енергії самої зірки. Для уповільнення світлового вітрила можна використовувати світлові частинки. У цьому випадку наявність додаткового палива на борту не потрібно. Та й сам план в цілому вписується в загальну концепцію, запропоновану ініціативною групою Breakthrough Starshot Initiative».
Анімація «фотогравитаціоного захоплення» зіркою Альфа Центавра A
Для успіху реалізації необхідно придумати спосіб, при якому апарат зможе заново розпустити свої вітрила після прибуття в систему. В цьому випадку випромінювання, що виходить від системи, створить необхідний тиск, який сповільнить зонд. Завдяки комп’ютерним моделям Хеллер і Хіппке вирахували, що при вазі зонда в 100 грамів площа вітрила буде складати близько 100 000 квадратних метрів (приблизно 14 футбольних полів). Після прибуття в систему гальмівна сила випромінювання від Альфи Центавра, що впливає на вітрило, збільшиться. Комп’ютерні моделі показують, що сили буде цілком достатньо, щоб ефективно уповільнити апарат. Іншими словами, та ж сама фізика, яка буде відповідати за штовхання зонда в бік сусідньої системи, буде також гальмувати апарат по його прибутті в потрібне місце.
Під час маневру уповільнення зонду необхідно буде наблизитися до Альфа Центаври A на відстань п’яти зоряних радіусів (тобто на дистанцію, еквівалентну п’яти радіусам цієї зірки), або приблизно на 4 мільйони кілометрів, щоб бути захопленим на її орбіту. З цього моменту космічний апарат почне уповільнення приблизно до рівня 2,5 відсотка від швидкості світла. Однак тут важливо зазначити, що в разі невдачі уповільнення максимальної швидкості (4,6 відсотка від швидкості світла) зонд буде викинутий назад в міжзоряний простір.
Кожна успішна подорож починається зі створення карти. В даному випадку показані всі маневри автономного космічного наноапарата в його подорожі до Альфа Центаври A, від якої шлях до Альфи Центавра B складе всього чотири дні. Кінцевим завданням зонда може бути 46-літня подорож до зірки Проксима Центавра – домашньої адреси землеподібної планети Проксими b.
Діставшись до Альфи Центавра A, космічний зонд буде захоплений її гравітацією, чию силу можна використовувати для подальших маневрів. Аналогічні маневри, наприклад, використовувалися для прискорення зондів «Вояджер-1» і «Вояджер-2», коли ті ще перебували всередині Сонячної системи. Теоретично автономний зонд може вийти на орбіту Альфи Центавра A і пошукати можливі екзопланети. Хеллер і Хіппке також розробили план по запуску зонда до систем інших зірок – Альфи Центаври B (зірка-компаньйон Альфи Центавра A) і Проксіме Центавра (віддаленої третьої зірки системи, розташованої в 0,22 світлового року, або в 1,2 трильйона кілометрів) від загальноприйнятих центрів мас зірок A і B. Згідно з цим планом, на політ до Альфи Центаври A піде близько століття, потім ще 4 дні потрібно для польоту до Альфи Центаври B, а потім 46 років на подорож до Проксіме Центаври.
І все ж додатково витрачений час, на думку вчених, зможе окупитися сповна. Одним із найдивовижніших відкриттів 2016 року стало виявлення астрономами землеподібної планети біля зірки Проксима Центавра. В остаточному підсумку можливість «поблизу» досліджувати цю планету може виявитися однією з найбільш (якщо не найбільш) значущих подій в сучасній астрономії. Пересилання зібраних даних про планету, враховуючи дистанцію до Землі, займе трохи більше 4 років. Однак поки що це лише мрії, тому що на даний момент у нас немає систем, які одночасно були б досить компактні для того, щоб уміститися на нанозонді, і в той же час володіли достатньою потужністю для передачі сигналів на такі відстані.
Відсутність відповідного передавача – це далеко не єдина проблема, яку нагально необхідно вирішити до відправки зонда в бік сусідньої зоряної системи. Не менш важливим є пошук рішення і розробка відповідної системи живлення для зонда. Проте дослідники не збираються втрачати оптимізму, бо наука не стоїть на місці. Наприклад, не може не радувати той факт, що в лабораторіях вже розроблені деякі надлегкі матеріали, які будуть потрібні для реалізації цього проекту.
«На створення такого міжзоряного сонячного вітрила може піти один-два десятка років», — коментує Хеллер.
Вчений також додає, що поверхня вітрила повинна бути виконана таким чином, щоб відображати хвилі синього та червоного діапазонів спектра видимого світла, а можливо, і далі за їх межами.
«Такої технології у нас поки немає, але, знову ж таки, за останні кілька років наукові лабораторії добилися великого прогресу, і дослідники виявили матеріали, здатні відображати до 99,9% обсягу світла».
Хеллер і Хіппке збираються представити свою детальну концепцію керівній групі Breakthrough Starshot Initiative на майбутній зустрічі Breakthrough Discuss, яка буде проходити в американському місті Пало-Алто в квітні цього року.
«Ми дуже хочемо отримати від них відгук і послухати їхню думку щодо нашої пропозиції, так як в цій групі, крім іншого, присутні світові експерти у сфері досліджень з питань міжзоряних подорожей за допомогою систем світлових вітрил», — говорить Хеллер.