Учените планират полет до черна дупка: подробният сценарий на първата междузвездна мисия

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн остава неоспоримата основа на съвременната физика. В продължение на сто години учените проверяват с голяма точност нейните прогнози и всеки път уравненията се оказват верни. Но всички наши експерименти – от наблюденията на орбитата на Меркурий до откриването на гравитационните вълни – са проведени в условия, при които гравитацията е относително слаба или източникът на гравитация е на голямо разстояние от наблюдателя.

Поведението на пространството, времето и материята в непосредствена близост до хоризонта на събитията на черна дупка – когато гравитацията е силна – никога не е било проверявано с преки методи. Предполага се, че теорията на Айнщайн работи и там, но в науката предположението не е доказателство. Единственият начин да се разбере истината е да се изпрати измервателно устройство директно към обекта.

Списание iScience публикува подробен технически анализ на тази възможност. Косимо Бемби, физик-теоретик от университета Фудан, твърди, че създаването на автоматична сонда, която да лети до най-близката черна дупка, е възможно въз основа на технологии, които ще се появят през следващите две-три десетилетия.

Проблемът с набелязването на целта: статистическа неизбежност

Първото предизвикателство пред мисията е липсата на точна дестинация. Досега астрономите са потвърдили съществуването на най-близката черна дупка (обект GAIA-BH1) на разстояние повече от 1500 светлинни години. Прелитането на такова разстояние няма практически смисъл дори за теоретичните двигатели на бъдещето.

Наблюдаваната картина обаче е непълна. Настоящите методи за търсене на черни дупки са ефективни само за обекти, които са част от двойни системи (където черната дупка влияе на видимата звезда-спътник) или които активно поглъщат материя (което генерира рентгенови лъчи). Изолираните, единични черни дупки остават невидими за телескопите.

Статистическите модели на разпределението на звездната маса в Млечния път показват, че в нашата Галактика има около 100 милиона черни дупки със звездна маса. Въз основа на локалната плътност на обектите в околностите на Слънцето изчисленията предвиждат съществуването на изолирана черна дупка само на 20-25 светлинни години от Земята.

За откриването на този тъмен обект астрофизиците предлагат да се използват два метода:

1. Гравитационно микролинзиране. Дори един невидим обект със своята маса изкривява светлината на далечните звезди, преминаващи зад него. Фиксирането на тези изкривявания ще позволи да се определи наличието на черна дупка.
2. Гравитационните вълни. Ако изолирана черна дупка взаимодейства с междузвездната среда или прелети през плътен облак газ, тя може да генерира специфични гравитационни смущения, които ще бъдат регистрирани от новото поколение детектори.

Енергетиката на полета: отказ от гориво

Класическата ракетна технология е неподходяща за междузвездни полети в разумен срок. За да се преодолеят 20 светлинни години за един човешки живот (по-малко от 100 години), апаратът трябва да се ускори до поне 20-30 % от скоростта на светлината. Тук уравнението на Циолковски налага строга забрана: за да се ускори космически кораб до такава скорост, използвайки химическо или дори ядрено гориво, ще е необходима маса на работното тяло, надвишаваща масата на всички планети в Слънчевата система.

Единственото техническо решение, което не нарушава законите на физиката, е да се остави източникът на енергия на Земята. Концепцията на проекта се основава на използването на лек натиск.

Архитектурата на системата е следната:

• Наносонда: полезният товар на мисията е изключително миниатюрен. Той представлява силициева пластинка („вафла“) с тегло около 1 грам, върху която са интегрирани процесорът, навигационните сензори, камерата, спектрометрите и комуникационната система.
• Светлинно платно: сондата е прикрепена към платно с площ около 10 квадратни метра, изработено от свръхтънък и здрав диелектричен материал с максимална отразяваща способност.
• Лазерен масив: на Земята се изгражда гигантска система от фазирани лазерни излъчватели.

Лазерният лъч се фокусира върху платното, като създава светлинно налягане. Тъй като масата на апарата е пренебрежимо малка (грамове), ускорението може да достигне огромни стойности – от порядъка на 10 000 g. Това позволява на сондата да се ускори до релативистична скорост (около 100 000 км/сек) само за няколко десетки минути работа на лазера. След това излъчвателят се изключва и устройството продължава да лети по инерция.

Смята се, че разходите за създаване на лазерния масив в момента биха били трилиони долари, но напредъкът във фотониката (понижаване на цената на един лазерен ват) позволява да се прогнозира, че цената ще падне до приемливо ниво (около 1 млрд. долара) след 30 години.

Сценарият на пристигането: проблемът със спирането

Големият недостатък на схемата за външно ускорение е невъзможността за спиране. Сондата не разполага с двигател, който да намали скоростта при достигане на целта. Това означава, че мисията ще бъде прелитане: апаратът ще има само няколко часа или дни в близост до черната дупка, преди да прелети и да отиде в безкрайността.

За да се реши този проблем и да се направят значими измервания, е предложена концепцията за разделящ се космически апарат. При приближаване към целта наносондата се разделя на два независими модула:

1. Модулът А (ретранслатор): лети на безопасно разстояние от черната дупка. Той поддържа ориентацията на платното, така че да може да се използва като антена за предаване на събраните данни обратно към Земята.
2. Модулът Б (изследовател): спуска платното и се придвижва по траектория на максимално приближаване към хоризонта на събитията.

Основната задача на модул Б е да изпраща електромагнитния сигнал до модула А по време на спускането му. Именно анализът на този сигнал е същността на научния експеримент.

Научните цели: какво всъщност търсим?

Мисията има за цел да провери три фундаментални аспекта на физиката, които не могат да бъдат проверени по друг начин.

1. Картографиране на метриката на пространство-времето

Според Общата теория на относителността въртящата се черна дупка създава специфична геометрия на пространството около себе си, описана от метриката на Кер. С приближаването на модула В към черната дупка гравитацията ще промени честотата на излъчвания от нея сигнал (гравитационното червено отместване). Ако теорията на Айнщайн е абсолютно вярна, графиката на промяната на честотата ще съответства стриктно на изчислената. Всяко, дори микроскопично отклонение ще означава, че метриката на пространството се различава от прогнозираната, което ще е индикация, че е необходима „нова физика“.

2. Проверка естеството на хоризонта на събитията

В класическата физика хоризонтът на събитията е нематериална граница, точка, от която няма връщане назад. Съществуват обаче алтернативни квантови теории на гравитацията (например теорията на струните), които предполагат, че черната дупка не е „дупка“, а свръхплътен физически обект, който има твърда повърхност (концепцията за „пухкава“ или космата топка).

Ако хоризонтът на събитията е празнота, сигналът от сондата ще избледнее плавно и ще се измести в червения спектър, докато изчезне напълно. Ако сондата се сблъска с физическа повърхност, естеството на сигнала ще се промени драстично. Това ще позволи експериментално да се потвърди или отрече наличието на вътрешна структура на черните дупки.

3. Постоянството на физическите закони

Някои теоретични модели допускат, че в свръхсилните гравитационни полета фундаменталните константи (например константата на фината структура, която определя силата на електромагнитното взаимодействие) могат да променят своите стойности. Спектралните анализи на сигналите от сондата ще уловят подобни промени, ако те съществуват.

Времеви рамки и изводи

Осъществяването на такъв проект изисква промяна на парадигмата в планирането на научните експерименти. Това е мисия отвъд човешкия живот.

• 20-30 години: разработване на необходимите технологии, изграждане на лазерни масиви и търсене на цели.
• 60-75 години: време за полет до целта.
• 20-25 години: времето, необходимо за връщане на сигнала с данни на Земята.

Общата продължителност на мисията ще надхвърли 100 години. Учените и инженерите, които изстрелват сондата, няма да видят резултатите от работата си – данните ще получат техните наследници. В историята на науката обаче вече има такива примери: строителството на средновековните катедрали е отнело векове, но резултатът е оправдал усилията на много поколения.

Техническият анализ показва: директната проверка на черна дупка не изисква изобретяването на „варп двигатели“ или нарушаване на законите на физиката. То изисква само усъвършенстване на съществуващите технологии в областта на фотониката, миниатюризация на електрониката и, най-важното, готовност на цивилизацията да инвестира в знания, които ще станат достъпни едва през следващия век.