Die Welle einer Supernova reiten, um interstellar zu werden

Wenn es um die Herausforderungen des interstellaren Reisens geht, gibt es keine einfachen Antworten. Die Entfernungen sind immens, die Menge an Energie, die für die Reise benötigt wird, ist enorm und die Zeitskalen sind (kein Wortspiel!) Astronomisch. Aber was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, mit Schiffen zwischen Sternen zu reisen, die natürliche Phänomene nutzen, um relativistische Geschwindigkeiten zu erreichen (ein Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit)?

Wissenschaftler haben bereits Situationen identifiziert, in denen Objekte in unserem Universum dazu in der Lage sind – einschließlich Hypervelocity-Sternen und Meteoren, die durch Supernovae-Explosionen beschleunigt werden. Die Harvard-Professoren Manasvi Lingam und Abraham Loeb haben kürzlich untersucht, wie interstellare Raumschiffe die durch eine Supernova-Explosion erzeugten Wellen auf die gleiche Weise nutzen können, wie Segelschiffe den Wind nutzen.

Die Studie „Antrieb von Raumfahrzeugen zu relativistischen Geschwindigkeiten unter Verwendung natürlicher astrophysikalischer Quellen“, die ihre Forschung detailliert beschreibt, wurde kürzlich online veröffentlicht und war auch Gegenstand eines Artikels bei Scientific American. Wie sie in ihrer Studie erklären, ist es möglich, dass eine ausreichend fortgeschrittene Zivilisation die von Supernovae freigesetzten Energiestrahlen nutzt, um Raumfahrzeuge auf relativistische Geschwindigkeiten zu beschleunigen.

Diese Raumschiffe könnten die Sprengkraft mit einem leichten Segel (auch bekannt als Sonnensegel) oder einem Magnetsegel nutzen, zwei Antriebskonzepte, die von Astrophysikern ausführlich untersucht wurden. Diese Konzepte beruhen auf der von der Sonne erzeugten elektromagnetischen Strahlung, um Druck gegen ein hochreflektierendes Segel zu erzeugen und somit einen Antrieb auf eine Weise zu erzeugen, die keine Motoren oder Treibmittel erfordert.

Da Treibmittel einen der wichtigsten Beiträge zur Gesamtmasse eines Raumfahrzeugs leisten, haben leichte Segel- / Magnetsegelkonzepte den Vorteil, dass sie viel leichter als herkömmliche Raumfahrzeuge sind – und daher viel billiger in den Weltraum zu starten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, sich auf gerichtete Energie (Laser) zu verlassen, um diese Art von Raumfahrzeugen zu beschleunigen und Geschwindigkeiten zu erreichen, die viel höher sind als dies mit Sonnenstrahlung allein möglich wäre.

Prof. Loeb, der nicht nur Frank D. Baird Jr. Professor für Wissenschaft an der Harvard University ist, ist auch Vorsitzender von Durchbruch StarshotBeratender Ausschuss. Als Teil der gemeinnützigen Organisation Breakthrough Initiatives arbeitet Starshot derzeit an der Schaffung eines leichten Segels, das von Lasern auf eine Geschwindigkeit von 20% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, um die Reise nach Alpha Centauri in zu ermöglichen nur 20 Jahre.

Wie Loeb dem Space Magazine per E-Mail mitteilte, kam ihm die Idee, Supernova zu verwenden, während er darüber nachdachte, wie ein solches Raumschiff auf natürliche Weise beschleunigt werden könnte:

„Im Dezember 2019 waren meine Frau und zwei Töchter auf Reisen und ich hatte den Luxus, eine Woche allein zu Hause zu bleiben und über Wissenschaft nachzudenken. Während ich duschte, dachte ich darüber nach, wie die Sonne Lichtsegel nicht effektiv mit hoher Geschwindigkeit startet, aber eine hellere Lichtquelle könnte es sein. Ich folgte diesem Gedanken mit detaillierten Berechnungen von Supernovae, die eine Woche lang milliardenfach heller als die Sonne sind, und erkannte, dass Lichtsegel mit vorhandenen Parametern die Lichtgeschwindigkeit erreichen können, wenn sie strategisch vor der Zeit um den massiven Stern herum platziert werden die explodieren. "

Ursprünglich erklärte Loeb diese Idee in einem Artikel, der in erschien Wissenschaftlicher Amerikaner am 6. Februar 2020 mit dem Titel „Surfen in einer Supernova“. Der Originalartikel ist auch auf der Website des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) verfügbar. Wie er dort argumentierte, wäre eine Supernova in der Lage, ein leichtes Segel, das „weniger als ein halbes Gramm pro Quadratmeter wiegt, auf relativistische Geschwindigkeiten zu beschleunigen“, selbst wenn es Millionen von Kilometern entfernt wäre.

Einfach ausgedrückt, die Energie und Helligkeit, die eine Supernova erzeugt, entspricht dem, was eine Milliarde Sonnen in einem durchschnittlichen Monat produzieren würde. Während Sonnenwind ein leichtes Segel nur bis zu einem Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit (0,01% oder 0,001) schieben könnte c) könnte eine Supernova ein Segel leicht auf ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit (0,1) beschleunigen c).

„Mein Mitarbeiter, Manasvi Lingam, sah meinen Kommentar und schlug vor, dass wir ein vollwertiges wissenschaftliches Papier zu diesem Thema schreiben, in dem untersucht wird, ob es möglich ist, Lichtsegel mit Lichtgeschwindigkeit auch um andere helle Quellen wie Schwarze Löcher oder Pulsare zu starten ", Sagte Loeb. "Ich habe meine Notizen mit ihm geteilt und sie haben unser gemeinsames Papier erstellt."

Um diese Hypothese zu testen, überlegen Lingam und Loeb, wie ein leichtes Segel durch die Explosion einer Reihe astrophysikalischer Objekte beschleunigt werden könnte. Dazu gehörten massive Sterne, Mikroquasare, Supernovae, Pulsarwindnebel und aktive galaktische Kerne. Als Lingam, der der Hauptautor des resultierenden Papiers war, dem Space Magazine per E-Mail erklärte:

„Wir haben mathematische Modelle entwickelt, um die maximale Geschwindigkeit zu bestimmen, die mit leichten Segeln und elektrischen Segeln erreicht werden kann. Die Höchstgeschwindigkeiten variierten je nach verwendetem Antriebssystem sowie den betrachteten astrophysikalischen Objekten. “

Für jeden, der über die Mittel verfügt, liegen die Vorteile dieses Ansatzes auf der Hand. Im Vergleich zu herkömmlichen leichten Segeln und Magnetsegeln könnte ein Segel, das den durch einen explodierenden Stern bereitgestellten Schub nutzt, relativistische Geschwindigkeiten erreichen, ohne dass eine teure Infrastruktur (d. H. Ein großes Laserarray) erforderlich wäre.

Natürlich liegen auch die Nachteile eines solchen Verfahrens auf der Hand. Für den Anfang gibt es das Problem des Timings. Supernovae sind nicht nur selten; Wissenschaftler sind nicht in der Lage, sie mit etwas anderem als einer großen Fehlerquote – oft Millionen von Jahren – genau vorherzusagen. Wer explodierende Sterne nutzen will, muss genauere Schätzungen vornehmen und bereit sein, sehr lange zu warten.

Aber wie Lingam und Loeb erkundeten, gehen die Nachteile darüber hinaus und schließen die besonderen Gefahren ein, die durch Supernovae verursacht werden. Wie Loeb anzeigte:

„Die größten Herausforderungen sind die Reibung mit dem Umgebungsgas, das in der Nähe eines massiven Sterns aufgrund des Massenverlusts durch Winde dicht sein kann. Man kann die Herausforderung bewältigen, indem man das Segel während der gesamten Reise faltet, außer während der Startphase, wenn das Öffnen des Segels durch den Supernova-Lichtblitz ausgelöst werden kann. “

Darüber hinaus gibt es technische und gestalterische Herausforderungen, die im Voraus angegangen werden müssten. Erstens müssen die Segel aus stark reflektierendem Material bestehen, um zu vermeiden, dass zu viel Wärme absorbiert und verbrannt wird. Zweitens müssten sie auch in einer gefalteten Konfiguration platziert werden, bis der Stern explodiert, um zu verhindern, dass sie durch Sonnenstrahlung von ihrem Startpunkt weggedrückt werden.

Schließlich muss der Beschleunigungsweg des Segels im Voraus sorgfältig ausgewählt werden, um Hindernisse zu vermeiden und das Risiko einer Kollision mit großen Objekten (wie Asteroiden) zu minimieren. Schließlich muss das Segel selbst eine Art Abschirmung oder Konfiguration aufweisen, die es vor Gas und festen Partikeln im interstellaren Raum schützt. Angesichts der Tatsache, dass sich das Segel mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit bewegt, würden selbst kleinste Partikel ein extremes Kollisionsrisiko darstellen.

Wie Lingam erklärte, zeigen ihre Ergebnisse, dass diese Herausforderungen überwunden werden können:

„Es gibt viele Herausforderungen wie die Stabilisierung des Segels, die Aufrechterhaltung eines hohen Reflexionsvermögens und die Verhinderung von Erwärmung sowie die Vermeidung von Schäden beim Reisen in der Quellumgebung sowie im interstellaren Medium. Die meisten dieser Probleme können zumindest im Prinzip durch die Verwendung von elektrischen Segeln anstelle von leichten Segeln überwunden werden. Wenn man sich alternativ für leichte Segel entscheidet, muss man das Segel in einigen Phasen der Reise falten, eine ungewöhnliche Segelarchitektur wählen und sich auf nanophotonische Strukturen verlassen, um die Stabilität zu verbessern. “

Kurz gesagt, ihre Ergebnisse zeigen, dass eine ausreichend fortgeschrittene Spezies in der Lage wäre, leichte Segel / Magnetsegel um sterbende Sterne zu positionieren, damit sie beschleunigt werden können, sobald der Stern explodiert. Diese Segel könnten als Botenfahrzeuge dienen und die Existenz fortgeschrittener Zivilisationen demonstrieren, indem sie zu bewohnten Sternensystemen reisen.

In dieser Hinsicht könnte die Machbarkeit dieses interstellaren Konzepts Auswirkungen auf die laufende Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) haben. Wie Loeb und Kollegen in früheren Studien argumentiert haben, bedeutet die Möglichkeit eines Antriebs mit gerichteter Energie, dass fehlerhafte Blitze der Laseraktivität als Zeichen technologischer Aktivität (auch bekannt als Technosignaturen) interpretiert werden können.

"Dieses konzeptionelle Paradigma spiegelt den Geist der Dyson-Sphären wider, der Megastrukturen, die Freeman Dyson für die Ernte der Energie von Sternen vermutet, die wahrscheinlich nicht explodieren", sagte Loeb. "Wenn wir das Glück haben, viele technologische Zivilisationen in unserer Galaxie zu haben, gibt es möglicherweise Schwärme leichter Segel um massive Sterne, die geduldig auf ihre Explosionen warten."

"Bei der Suche nach Technosignaturen deuten unsere Arbeiten darauf hin, dass man in der Nähe von hochenergetischen astrophysikalischen Quellen wie Supernovae und Quasaren nach Funksignalen usw. suchen könnte", fügte Lingam hinzu. "Natürlich hängt die Erfolgswahrscheinlichkeit ganz davon ab, ob es solche Arten fortschrittlicher Technologien gibt – auf diese Frage haben wir noch keine Antwort."

Vorerst sieht es so aus, als würde das erschwerende Ding, das als Fermi-Paradox bekannt ist, noch eine Weile anhalten. Da jedoch noch mehr Dinge zu beachten sind und die Teleskope der nächsten Generation sehr bald online gehen, sind wir gut gerüstet, um Beweise für außerirdische Intelligenz zu finden (falls welche zu finden sind).

Wer weiß? Vielleicht wurde unser Sonnensystem bereits von interstellaren Segeln mit Supernova besucht! Erinnerst du dich an diesen interstellaren Besucher (Bild oben)?

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