С начала космической эры люди полагались на химические ракеты, чтобы попасть в космос. Хотя этот метод, безусловно, эффективен, он также очень дорог и требует значительных ресурсов. Поскольку мы ищем более эффективные способы выхода в космос, нужно задаться вопросом, будут ли подобные продвинутые виды на других планетах (где условия будут отличаться) полагаться на подобные методы.
Профессор Гарварда Абрахам Леб и Майкл Хиппк, независимый исследователь, связанный с Обсерваторией Соннеберг, оба обратились к этому вопросу в двух недавно выпущенных статьях. Принимая во внимание, что профессор Лоеб рассматривает проблемы, с которыми сталкиваются инопланетяне при запуске ракет с Proxima b, Хиппк считает, смогут ли инопланетяне, живущие на Супер-Земле, попасть в космос.
В последнее время в Интернете появились статьи, озаглавленные «Межзвездное бегство с Проксимы b с химическими ракетами едва ли возможно» и «Космический полет с суперземли трудно», авторы которых - проф. Лоэб и Хиппке, соответственно. Принимая во внимание, что Лоеб решает проблемы, связанные с химическими ракетами, покидающими Проксиму b, Хиппке рассматривает вопрос о том, смогут ли те же ракеты достичь скорости побега вообще.
Ради своего исследования Леб рассмотрел, как нам, людям, достаточно повезло жить на планете, которая хорошо подходит для космических запусков. По сути, если ракета должна вылететь с поверхности Земли и достичь космоса, ей необходимо достичь скорости полета 11,186 км / с (40 270 км / ч; 25 020 миль в час). Точно так же скорость побега, необходимая для того, чтобы уйти от местоположения Земли вокруг Солнца, составляет около 42 км / с (151 200 км / ч; 93 951 миль в час).
Как профессор Лоеб рассказал Space Magazine по электронной почте:
«Для химической тяги требуется масса топлива, которая экспоненциально растет с предельной скоростью. По счастливой случайности скорость выхода с орбиты Земли вокруг Солнца находится на пределе достижимой скорости с помощью химических ракет. Но обитаемая зона вокруг более слабых звезд находится ближе, что значительно усложняет выход химических ракет из более глубокой гравитационной ямы ».
Как указывает Леб в своем эссе, скорость побега масштабируется как квадратный корень звездной массы на расстоянии от звезды, что подразумевает, что скорость побега из обитаемой зоны обратно пропорциональна звездной массе до мощности в одну четверть. Для таких планет, как Земля, вращающихся внутри обитаемой зоны звезды типа G (желтый карлик), такой как наше Солнце, это работает довольно долго.
К сожалению, это не очень хорошо работает для планет земной группы, которые вращаются вокруг звезд меньшей массы M-типа (красный карлик). Эти звезды - самый распространенный тип во Вселенной, на их долю приходится 75% звезд только в Галактике Млечный Путь. Кроме того, недавние исследования экзопланет обнаружили множество каменистых планет, вращающихся вокруг систем звезд красного карлика, и некоторые ученые решаются, что они являются наиболее вероятным местом для поиска потенциально обитаемых каменистых планет.
Используя в качестве примера ближайшую к нам звезду (Проксима Центавра), Леб объясняет, как ракете, использующей химическое топливо, будет намного сложнее достичь скорости убегания с планеты, расположенной в ее обитаемой зоне.
«Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра, является примером для слабой звезды с всего лишь 12% массы Солнца», - сказал он. «Пару лет назад было обнаружено, что у этой звезды есть планета размером с Землю, Proxima b, в своей обитаемой зоне, которая в 20 раз ближе, чем отделение Земли от Солнца. В этом месте скорость побега на 50% больше, чем с орбиты Земли вокруг Солнца. Цивилизации на Проксиме b будет трудно сбежать из их местоположения в межзвездное пространство с химическими ракетами ».
Бумага Хиппке, с другой стороны, начинается с рассмотрения того, что Земля на самом деле не может быть самым пригодным для жизни типом планеты в нашей Вселенной. Например, планеты, которые являются более массивными, чем Земля, будут иметь более высокую поверхностную гравитацию, что означает, что они смогут удержаться в более толстой атмосфере, что обеспечит большую защиту от вредных космических лучей и солнечного излучения.
Кроме того, планета с более высокой гравитацией будет иметь более плоскую топографию, что приведет к архипелагам вместо континентов и более мелким океанам - идеальная ситуация в отношении биоразнообразия. Однако, когда дело доходит до запусков ракет, повышенная поверхностная гравитация также будет означать более высокую скорость побега. Как указал в своем исследовании Хиппке:
«Ракеты страдают от уравнения Циолковского (1903): если ракета несет свое собственное топливо, отношение общей массы ракеты к конечной скорости является экспоненциальной функцией, что делает высокие скорости (или тяжелые полезные нагрузки) все более дорогими».
Для сравнения, Хиппке использует Kepler-20 b, Супер-Землю, расположенную на расстоянии 950 световых лет, что в 1,6 раза больше радиуса Земли и в 9,7 раза больше ее массы. Принимая во внимание, что скорость побега с Земли составляет примерно 11 км / с, ракета, пытающаяся покинуть Супер-Землю, подобную Кеплеру-20, должна была бы достичь скорости побега ~ 27,1 км / с. В результате одноступенчатая ракета на Kepler-20 b должна была бы сжечь в 104 раза больше топлива, чем ракета на Земле, чтобы попасть на орбиту.
Чтобы представить это в перспективе, Хиппк рассматривает конкретные полезные нагрузки, запускаемые с Земли. «Чтобы поднять более полезную полезную нагрузку в 6,2 т, как это требуется для космического телескопа Джеймса Вебба на Kepler-20b, масса топлива увеличится до 55 000 т, по сравнению с массой самых больших морских кораблей», - пишет он. «Для классического полета на Луну Аполлона (45 т) ракета должна быть значительно больше, ~ 400 000 т».
Хотя анализ Хиппка показывает, что химические ракеты будут по-прежнему обеспечивать скорости побега на суперземлях до 10 масс Земли, количество необходимого топлива делает этот метод нецелесообразным. Как отметил Хиппке, это может серьезно повлиять на развитие инопланетной цивилизации.
«Я удивлен, увидев, как близко мы, люди, можем оказаться на планете, которая все еще достаточно легка для осуществления космического полета», - сказал он. «Другим цивилизациям, если они существуют, возможно, не повезет. На более массивных планетах космический полет будет экспоненциально дороже. У таких цивилизаций не было бы спутникового телевидения, полета на Луну или космического телескопа Хаббла. Это должно изменить их путь развития определенными способами, которые мы теперь можем проанализировать более подробно ».
Обе эти работы имеют некоторые четкие последствия, когда дело доходит до поиска внеземного интеллекта (SETI). Для начала это означает, что цивилизации на планетах, которые вращаются вокруг звезд красного карлика или Супер-Земли, с меньшей вероятностью будут летать в космосе, что затруднит их обнаружение. Это также указывает на то, что, когда дело касается движущих сил, с которыми человечество знакомо, мы можем быть в меньшинстве.
«Из приведенных выше результатов следует, что химическая тяга имеет ограниченную полезность, поэтому имеет смысл искать сигналы, связанные с световыми парусами или ядерными двигателями, особенно вблизи карликовых звезд», - сказал Леб. «Но есть и интересные последствия для будущего нашей собственной цивилизации».
«Одним из следствий этого документа является космическая колонизация и SETI», - добавил Хиппке. «Цивилизации из Супер-Земли гораздо реже исследуют звезды. Вместо этого они будут (в некоторой степени) «арестованы» на своей родной планете, и, например, больше использовать лазеры или радиотелескопы для межзвездной связи вместо отправки зондов или космических кораблей ».
Тем не менее, как Леб, так и Хиппке также отмечают, что внеземные цивилизации могут решить эти проблемы, приняв другие методы движения. В конце концов, химическое движение может быть тем, что могут принять немногие технологически продвинутые виды, потому что это просто не практично для них. Как объяснил Леб:
«Развитая внеземная цивилизация может использовать другие методы движения, такие как ядерные двигатели или световые паруса, которые не ограничены теми же ограничениями, что и химические двигатели, и могут достигать скоростей, достигающих одной десятой скорости света. Наша цивилизация в настоящее время разрабатывает эти альтернативные двигательные технологии, но эти усилия все еще находятся в зачаточном состоянии ».
Одним из таких примеров является «Звездный прорыв», который в настоящее время разрабатывается Фондом «Приз прорыва» (председателем Консультативного комитета является Лоеб). Эта инициатива направлена на использование светового паруса с лазерным приводом для ускорения наночастицы до скоростей 20% скорости света, что позволит ему путешествовать в Проксиму Центавра всего за 20 лет.
Хиппке также рассматривает ядерные ракеты как жизнеспособную возможность, поскольку увеличение поверхностной гравитации также будет означать, что космические лифты будут непрактичными. Леб также указал, что ограничения, налагаемые планетами вокруг звезд с низкой массой, могут иметь последствия, когда люди пытаются колонизировать известную Вселенную:
«Когда солнце нагреется настолько, чтобы выкипать всю воду с лица Земли, мы можем к тому времени переехать в новый дом. Некоторые из наиболее желательных мест назначения - это системы из нескольких планет вокруг звезд с низкой массой, такие как близлежащая карликовая звезда TRAPPIST-1, которая весит 9% солнечной массы и содержит семь планет размером с Землю. Однако, как только мы доберемся до обитаемой зоны TRAPPIST-1, бежать некуда. Такие звезды сжигают водород настолько медленно, что могут согреть нас на десять триллионов лет, примерно в тысячу раз дольше, чем жизнь Солнца ».
Но в то же время мы можем спокойно отдыхать, зная, что мы живем на обитаемой планете вокруг желтой карликовой звезды, которая дает нам не только жизнь, но и возможность выйти в космос и исследовать. Как всегда, когда дело доходит до поиска признаков внеземной жизни в нашей Вселенной, мы, люди, вынуждены придерживаться «подхода низко висящих фруктов».
По сути, единственная известная нам планета, которая поддерживает жизнь, - это Земля, и единственное средство исследования космоса, которое мы знаем, как искать, это те, которые мы сами попробовали и испытали. В результате мы несколько ограничены в поиске биосигнатур (то есть планет с жидкой водой, кислородом и азотом и т. Д.) Или техносигнатур (то есть радиопередач, химических ракет и т. Д.).
По мере того, как наше понимание того, какие условия жизни могут возникнуть в условиях роста, и наших собственных технологических достижений, нам будет необходимо больше искать. И, надеюсь, несмотря на дополнительные проблемы, с которыми он может столкнуться, внеземная жизнь будет искать нас!
Очерк профессора Леба также недавно был опубликован в журнале Scientific American.
