Полет к Альфе Центавра: мечты и реальность

В прошлом году знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг и российский миллиардер Юрий Мильнер объявили об амбициозном плане по запуску крошечного космического аппарата к системе Альфа Центавра. Разумеется, столь амбициозный план требует поиска не менее амбициозных решений. Например, одна из нерешенных проблем связана с тем, каким образом двигающийся с одной пятой скорости света космический аппарат сможет остановиться после того, как достигнет своей точки назначения. Будет ли он вообще способен на такой маневр?

Пара европейских ученых, кажется, нашли нужный ответ на этот вопрос. В работе, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, физик Рене Хеллер из Института Макса Планка и компьютерный специалист Майкл Хиппке рассказывают о том, как для замедления космического аппарата можно будет использовать излучение и гравитацию звезд системы Альфа Центавра. По мнению ученых, вместо того чтобы просто пронестись мимо, крошечный космический аппарат, оборудованный световым парусом, сможет достаточно замедлиться, чтобы в деталях изучить тройную звездную систему и, возможно, даже находящуюся возле одной из звезд этой системы землеподобную планету Проксима b.

Напомним, что рамках проекта Breakthrough Starshot Initiative Мильнер планирует инвестировать 100 миллионов долларов в разработку сверхлегкого автономного космического аппарата со световым парусом, который сможет разогнаться до 1/5 скорости света (около 60 000 км/с). Благодаря этому роботизированный зонд сможет достичь Альфы Центавра – ближайшей к Земле звездной системы – всего за 20 лет, а не за 100 000, как в случае использования традиционных химических ускорителей.

Согласно оригинальному плану Мильнера и Хокинга, к крошечному зонду будет прикреплен компактный, размером несколько метров, световой парус, управляемый с помощью фазированной решетки лазеров. Энергии, производимой этими лазерами, теоретически будет достаточно для того, чтобы ускорить крошечный зонд до скоростей гораздо выше, чем способны показать самые быстрые на сегодняшний момент космические аппараты.

Рендер предложенной технологии светового паруса

Однако это не единственная из предложенных схема реализации этого проекта. Согласно варианту Хеллера и Хиппке, использование большего по размеру «фотонного» паруса позволит отказаться от необходимости задействовать лазерную решетку. При этом сам зонд будет размером всего в несколько сантиметров и весом всего несколько граммов. Для ускорения и выхода в межзвездное пространство аппарат будет оборудован несколькими большими, но в то же время очень легкими, тонкими и прочными парусами. По предложенному европейскими учеными сценарию в сторону Альфы Центавра зонд будет толкать излучение нашего Солнца. При достижении необходимого уровня инерции, аппарат сложит паруса и продолжит свое путешествие в сторону соседней звездной системы.

Ученые считают, что в этом случае зонд сможет развить 4,6 процента от скорости света и примерно за 95 лет достигнет Альфы Центавра. Да, это почти в пять раз дольше, чем в оригинальном плане Мильнера и Хокинга, однако в теории это серьезно упростит задачу по остановке зонда в нужном месте.

«Межзвездное путешествие к системе Альфа Центавра предположительно будет происходить на скоростях, позволяющих сократить время этого путешествия до менее одной тысячи, а в идеале – до менее одной сотни лет. При такой скорости космическому аппарату потребуется невероятно большой запас энергии для замедления и выхода на нужные орбиты», — говорит Хеллер.

«Использование какого бы ни было топлива лишь усложнит проект в целом. Если корабль потребует наличия топлива на борту, то сам он в этом случае будет слишком тяжелым, что, в свою очередь, лишь сильнее повысит необходимость в наличии еще большего запаса топлива».

Учитывая эти ограничения, а также отсутствие на данный момент подходящего решения, ученые предполагают, что зонд в таком случае просто пронесется мимо Альфы Центавра, как это было с космическим аппаратом «Новые горизонты», пролетевшим в свое время мимо Плутона. Но опять же, если учесть разность скорости, зонд, в отличие от «Новых горизонтов», не сможет обеспечить хоть какие-то более-менее точные измерения этой звездной системы. К счастью, по мнению двух ученых, есть вариант, который в теории позволит не только замедлить космический аппарат до приемлемых скоростей в нужной точке, но и провести детальное исследование системы Альфы Центавра.

«Мы нашли метод, который позволяет замедлить космический аппарат с помощью энергии самой звезды. Для замедления светового паруса можно использовать световые частицы. В этом случае наличие дополнительного топлива на борту не потребуется. Да и сам план в целом вписывается в общую концепцию, предложенную инициативной группой Breakthrough Starshot Initiative».

Анимация «фотогравитационного захвата» звездой Альфа Центавра A

Для успеха реализации необходимо придумать способ, при котором аппарат сможет заново распустить свои паруса по прибытии в систему. В этом случае исходящее от системы излучение создаст необходимое давление, которое замедлит зонд. Благодаря компьютерным моделям Хеллер и Хиппке высчитали, что при весе зонда в 100 граммов площадь паруса будет составлять около 100 000 квадратных метров (примерно 14 футбольных полей). По прибытии в систему тормозящая сила излучения от Альфы Центавра, воздействующая на парус, увеличится. Компьютерные модели показывают, что силы будет вполне достаточно, чтобы эффективно замедлить аппарат. Другими словами, та же самая физика, которая будет отвечать за толкание зонда в сторону соседней системы, будет также тормозить аппарат по его прибытии в нужное место.

Во время маневра замедления зонду необходимо будет приблизиться к Альфе Центавра A на расстояние пяти звездных радиусов (то есть на дистанцию, эквивалентную пяти радиусам этой звезды), или примерно на 4 миллиона километров, чтобы быть захваченным на ее орбиту. С этого момента космический аппарат начнет замедление примерно до уровня 2,5 процента от скорости света. Однако здесь важно отметить, что в случае неудачи замедления с максимальной скорости (4,6 процента от скорости света) зонд будет выброшен обратно в межзвездное пространство.

Каждое успешное путешествие начинается с создания карты. В данном случае показаны все маневры автономного космического наноаппарата в его путешествии к Альфе Центавра A, от которой путь до Альфы Центавра B составит всего четыре дня. Конечной задачей зонда может быть 46-летнее путешествие к звезде Проксима Центавра – домашнему адресу землеподобной планеты Проксимы b

Добравшись до Альфы Центавра A, космический зонд будет захвачен ее гравитацией, чью силу можно использовать для дальнейших маневров. Аналогичные маневры, например, использовались для ускорения зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2», когда те еще находились внутри Солнечной системы. Теоретически автономный зонд может выйти на орбиту Альфы Центавра A и поискать возможные экзопланеты. Хеллер и Хиппке также разработали план по запуску зонда к системам других звезд – Альфе Центавра B (звезда-компаньон Альфы Центавра A) и Проксиме Центавра (удаленной третьей звезды системы, расположенной в 0,22 светового года, или в 1,2 триллиона километров) от общепринятых центров масс звезд A и B. Согласно этому плану, на полет к Альфе Центавра A уйдет около столетия, затем еще 4 дня потребуется для полета к Альфе Центавра B, а затем 46 лет на путешествие к Проксиме Центавра.

И все же дополнительно потраченное время, по мнению ученых, сможет окупиться сполна. Одним из самых запоминающихся открытий 2016 года стало обнаружение астрономами земплеподобной планеты возле звезды Проксима Центавра. В конечном итоге возможность «вблизи» исследовать эту планету может оказаться одним из самых (если не самым) значимых событий в современной астрономии. Пересылка собранных данных о планете, учитывая дистанцию до Земли, займет чуть более 4 лет. Однако пока это всего лишь мечты, потому что на данный момент у нас нет систем, которые одновременно были бы достаточно компактны для того, чтобы уместиться на нанозонде, и в то же время обладали достаточной мощностью для передачи сигналов на такие расстояния.

Отсутствие подходящего передатчика – это далеко не единственная проблема, которую во чтобы то ни стало необходимо решить до отправки зонда в сторону соседней звездной системы. Не менее важным являются поиск решения и разработка подходящей системы питания для зонда. Тем не менее исследователи не собираются терять оптимизма, так как наука не стоит на месте. Например, не может не радовать тот факт, что в лабораториях уже разработаны некоторые сверхлегкие материалы, которые потребуются для реализации этого проекта.

«На создание подобного межзвездного солнечного паруса может уйти один-два десятка лет», — комментирует Хеллер.

Ученый также добавляет, что поверхность паруса должна быть выполнена таким образом, чтобы отражать волны синего и красного диапазонов видимого спектра, а возможно, и дальше за их пределами.

«Такой технологии у нас пока нет, но, опять же, за последние несколько лет научные лаборатории добились очень большого прогресса, и исследователи обнаружили материалы, способные отражать до 99,9% объема света».

Хеллер и Хиппке собираются представить свою детальную концепцию руководящей группе Breakthrough Starshot Initiative на предстоящей встрече Breakthrough Discuss, которая будет проходить в американском городе Пало-Алто в апреле этого года.

«Мы очень хотим получить от них отклик и послушать их мнение насчет нашего предложения, так как в этой группе, помимо прочего, присутствуют мировые эксперты в развивающейся сфере исследований вопросов межзвездных путешествий с помощью систем световых парусов», — говорит Хеллер.