هل سيصل هوكينج إلى ألفا سنتوري؟

يتكون نظام Alpha Centauri من زوج من النجوم A و B (الأول أكبر قليلاً ، والثاني أصغر قليلاً من الشمس) ، مفصولين بـ 24 AU (مقارنة بالمسافة من الشمس إلى أورانوس) ، بالإضافة إلى القزم الأحمر بروكسيما ، الذي يقع 735 مرة أخرى. Proxima ترقى إلى اسمها "الأقرب" - لديها 4.22 سنة ضوئية ، والمسافة إلى A و B قريبة من 4.37 St. على مدى السنوات الخمس الماضية ، تم العثور على 3 كواكب قريبة من الأرض في نظام النجوم هذا: $$$b$ و $$$c$ يدور حول Alpha Centauri B ، آخر $$$b$ مملوكة لشركة Proxima www.openexoplanetcatalogue.com/planet/Alpha٪20Centauri٪20B٪20c . يبدو بروكسيما فقط $$$b$ تم الكشف عن موثوقية أكثر أو أقل ، ولكن بسبب عدم استقرار الأقزام الحمراء ، من غير المحتمل ظهور الحياة عليها. الكواكب الأخرى (إذا كانت موجودة بالفعل) قريبة جدًا من نجمها ، لها فترات مدارية لعدة أيام. ومع ذلك ، هذه البيانات ليست موثوقة. في المستقبل ، يمكن أن تتغير بشكل كبير ، تمامًا كما انخفضت التقديرات الأولى لكتلة بلوتو بعشرات المرات. بالإضافة إلى ذلك ، توجد الكواكب الخارجية في المقام الأول قريبة جدًا من النجوم - حيث يسهل اكتشافها. لذلك ، فإن حقيقة العثور عليها ساخنة جدًا تلهم الثقة في وجود كواكب أخرى.

اقتباس من مقال على موقع بي بي سي:

أطلق رجل الأعمال الروسي يوري ميلنر والعالم البريطاني الشهير ستيفن هوكينج مشروع Breakthrough Starshot الذي تبلغ تكلفته 100 مليون دولار ، والذي يهدف إلى تسليم الروبوتات الصغيرة لأقرب نظام نجوم ألفا سنتوري خلال 20 عامًا.

سيتعين على سواتل النانو الصغيرة الوصول إلى سرعات تصل إلى 160 مليون كيلومتر / ساعة للوصول إلى Alpha Centauri في 20 عامًا وإرسال البيانات إلى الأرض.

لطالما كانت رحلات الفضاء بين النجوم حلم العديد ، ولكن المشاكل التقنية المرتبطة بهذه الرحلة معقدة للغاية.

ومع ذلك ، قال البروفيسور هوكينج في مقابلة مع بي بي سي إن هذا الحلم يمكن أن يتحقق بشكل أسرع مما نعتقد.

يقول: "إذا أردنا البقاء على قيد الحياة كنوع ، فإننا بحاجة إلى الوصول إلى نجوم أخرى".
ويشير العلماء إلى أنه "وفقًا لعلماء الفلك ، هناك فرصة جيدة لأن يدور كوكب مشابه للأرض حول أحد نجوم كوكبة ألفا سنتوري". "لكننا سنتعلم المزيد عن ذلك في العقدين المقبلين بمساعدة التلسكوبات الموجودة على الأرض وفي الفضاء."

يقول هوكينج: "إن التقدم التكنولوجي على مدى العقدين الماضيين وفي المستقبل يجعل ذلك ممكنًا للجيل القادم".

التقطت الشركة مذهلة - اسمان ستيفن هوكينج و "فريمان دايسون" يستحقان ذلك! وضع دايسون نظرية في أوائل السبعينيات حول كيفية الوصول إلى Alpha Centauri باستخدام الانفجارات النووية الحرارية. ينوون إرسال سرب من الميكروبات إلى أقرب نظام نجمي في الـ 15 إلى 20 سنة القادمة ، بحيث بعد ربع قرن آخر سيحصلون على صورة مع إطلالة على كواكب Alpha Centauri B (قليل من المشاركين في المشروع سينجو ، للأسف).

أثارت مشاركة الملياردير الروسي ميلنر في هذا المشروع حماسًا بروح "روسيا سترسل مسبارًا إلى Alpha Centauri" ، على الرغم من أن روسيا ، في الواقع ، لا علاقة لها بها. ولدت هذه الفكرة في أحشاء DARPA (وكالة البنتاغون) ، التي تعمل على صفائف الليزر على مراحل كنظم أسلحة. مثل هذا الصفيف هو مجموعة من مضخمات الألياف الضوئية التي تمر من خلالها حزمة الليزر المقسمة. يتيح لك نظام التحكم لأطوار الحزم المتوازية تركيز الشعاع الكلي ، وكذلك التحكم فيه من أجل التصويب. بالإضافة إلى الفكرة الواضحة المتمثلة في تجميع العديد من أشعة الليزر في "إعداد جاتلينج" واحد ، يتم لعب الدور الرئيسي هنا عن طريق التداخل المتحكم فيه للحزم المضخمة ، مما يجعل من الممكن محاكاة حتى شعاع الفوتونات المتقاربة (!). وبعبارة أخرى ، فإن نمط الحيود على السطح المتعامد مع شعاع السطح هو أن البقعة الساطعة في مركزها لها حجم صغير مقارنة بحجم صفيف الليزر ، كما أن سطوعها أكبر بعدة مرات من الحدود القصوى الأخرى للإضاءة. في الوقت نفسه ، يقع جزء كبير من الطاقة التي يشعها الصفيف المرحلي على هذه النقطة المضيئة ، والتي يمكن أن ينخفض ​​حجمها مع المسافة من التركيب.

المشروع العسكري المقابل DARPA يحمل الاسم المجيد Excalibur (لا تخلط بينه وبين Excalibur من وقت SDI ). ترتبط خطة Starhotrough starhot عضويا بها ، والتي ترد تفاصيلها في مقال بعنوان طموح ، " خريطة الطريق إلى رحلة بين النجوم ".

يُقترح إنشاء مجموعة مرحلية من 100 مليون ليزر يعمل بالأشعة تحت الحمراء ( $$$\ lambda \ تقريبا 1$ ميكرون) تقع على جزء مربع من الأرض مع جانب 10 كم - ليزر واحد لكل منهما بقوة 1 كيلوواط لكل 1 متر مربع. متر يجب أن ينتج عن تداخل هذه الأشعة موجة كهرومغناطيسية مع حافة بارزة مقعرة قليلاً ، أرجواني في الشكل أعلاه. من المفترض أن زاوية التقارب للحزمة التي تم الحصول عليها ستكون ~ $$$10 ^ {- 9}$ أنا سعيد ، وتدفق الطاقة من خلال قسمها هو 100 جيجاوات تقريبًا. يبلغ القطر الأقصى لهذه الحزمة ~ 10 م ، أي أن أقصى حيود على السطح العادي للحزمة ينخفض ​​تدريجيًا من ~ 10 م إلى ~ 1 م عندما يتحرك السطح بعيدًا عن الصفيف بمقدار 10 مليون كم تقريبًا.


من المفترض أن يصل حجم الميكروب الصغير الذي يبلغ كتلته 1 جرامًا والشراع الذي يبلغ 0.85 مترًا من نفس الكتلة تحت الضغط الخفيف في غضون 3 دقائق إلى سرعة 43000 كم / ثانية ، ويمر 4 مليون كيلومتر. في هذه اللحظة ، يساوي قطر الحزمة حجم الشراع ، ويصل تسريع المسبار إلى 23،700 جم (!) كحد أقصى. في وقت لاحق ، تقل نقطة مضيئة على الشراع ، لكن التسارع يبقى دون تغيير وكبير بشكل خيالي. بعد 76 ثانية أخرى ، سيمر المسبار حوالي 4 ملايين كيلومتر ، وسيتوقف التسارع (سيتم إيقاف الحزمة). بسرعة إبحار تبلغ 61000 كم / ثانية ، أي حوالي 20٪ من سرعة الضوء ، سوف يطير المسبار إلى Alpha Centauri ، والذي سيستمر 20 عامًا.

المسبار عبارة عن ركيزة تحتوي على رقائق ، وبطارية ، وكاميرا فيديو ، ليزر صغير لنقل المعلومات إلى الأرض. من الممكن أن تكون الأجهزة (وإذا) يمكن أن تكون مصغرة تمامًا (إجمالي وزن المسبار 1 جم بدون شراع). من المفترض أن الشراع ، وهو نفس العاكس ، يمكن استخدامه كهوائي تركيز لنبضات الليزر بقوة ~ 1 وات. على الرغم من أنه لا يزال من غير الواضح من حيث المبدأ كيفية تنفيذ هذه الفكرة. إذا كان العاكس في شكل مكافئ ثوري ، وكان المصدر النقطي للضوء في بؤرة تركيزه ، فيمكن الحصول على شعاع موجه بشكل ضيق. لكن اختلافه سيكون أكبر بكثير من النظام $$$10 ^ {- 5}$ راد (حد الانعراج عند $$$\ lambda = 1$ ميكرون وفتحة ~ 1 م من الترتيب $$$10 ^ {- 6}$ ) ، الذي كان مؤلفو Breakthrough starhot متفائلون بشأنه كأساس لتقييم إمكانية التغذية المرتدة.

يمكن استخدام صفيف مرحلي كهوائي استقبال (ستمر الفوتونات القادمة بمضخمات في الاتجاه المعاكس ، مما يتسبب في الكشف عن سيل من الكميات). ويعتقد أن المسبار microlaser ، باستخدام التركيز مع عاكس ، سيوفر تشعيعًا للصفيف مع تدفق الفوتون بكثافة 650 قطعة في الثانية. وفقًا لمؤلفي المشروع ، عند ترميز جزء واحد من المعلومات بكمية واحدة ، سيسمح هذا بنقل البيانات إلى الأرض بسرعة 650 بت / ثانية.

تنطوي ميزة Starhotrough starhot على إطلاق آلاف من الميكروبات الصغيرة ، مما سيزيد من موثوقية المشروع في نفس الوقت. ومع ذلك ، سيكون من المستحيل إدارة تشغيل آلاف المسابير بسبب التأخير لمدة 4 سنوات في استقبال الإشارات. لذلك ، سيكون عليهم اتخاذ قرارات من تلقاء أنفسهم ، والتي تحتاج إلى أجهزة استشعار ومعالج دقيق قوي بما فيه الكفاية ، والأهم من ذلك ، محركات لتوجيه وتصحيح المسارات عند الاقتراب من Alpha Centauri. تحتاج المجسات إلى التفاعل مع بعضها البعض ، لذلك هناك حاجة إلى اتصال لاسلكي موثوق. نبضات الليزر للبحث عن "شركاء" ليست مناسبة ، لأن لمثل هذا الاتصال تحتاج إلى معرفة مكان توجيه الحزمة.

وسيتعين عليهم البحث عن بعضهم البعض ، وعلى مسافات ربما بملايين الكيلومترات. سيكون تناثر المجسات في الطريق إلى Alpha Centauri ضخمًا ، دون أي إمكانية لتصحيح مساراتها من الأرض مع اقترابها. من المهم أن تضع في اعتبارك أنه لن تكون لديهم أي فرصة للإبطاء عند الوصول ، لذلك سيكون عليهم اتخاذ قرارات والتصرف بسرعة كبيرة (وقت الطيران بالقرب من كوكب الأرض سيكون جزءًا من الثانية). ولهذا ، تحتاج إلى طاقة وبصريات للملاحة - في مسبار يزن 1 جرام!

في هذا الصدد ، تنشأ مشكلة أساسية أخرى: كيف يمكن للمسبار بكتلة ~ 1 جم العثور على الشمس بدون بصريات للتنقل الفلكي؟ وتجدر الإشارة إلى أنه بسبب اختلاف الشعاع عن المسبار ، فإنه سيغطي منطقة بمليارات الكيلومترات في النظام الشمسي ، لذلك تحتاج إلى التصويب في الشمس. ولكن كيف سترى ذلك الميكروبون؟ مستحيل!

وبالتالي ، فإن مشكلة جمع ونقل المعلومات من الميكروبات إلى الأرض معقدة للغاية. من غير المحتمل أن يتم التغلب عليها من حيث المبدأ ، إذا لم تكن راضية عن الإشارات التي طارت المجسات بالقرب من وجهتها. على الرغم من أنه سيكون من الصعب للغاية الحصول على مثل هذه الرسائل! إذا كانت زاوية انحراف الحزمة عن المسبار هي $$$2.2 \ cdot 10 ^ {- 5}$ يسعدني أنه بقوة 1 واط لكل صفيف مرحلي يبلغ 10 × 10 كم ، يصل 650 فوتونًا حقًا من ألفا سنتوري في ثانية (الباقي سيمر بسبب اختلاف الشعاع). ولكن هنا لا يتم أخذ التشتت في الطريق إلى الأرض وفي الغلاف الجوي ، وكذلك خلفية الفوتون من الشمس والأجسام المحيطة ، في الاعتبار. كيف تميز الفوتون بالأشعة تحت الحمراء الذي يصل من مسبار لمسافة 40.000 مليار كيلومتر من أي آخر بنفس الطول الموجي؟ مؤلف خارطة الطريق لا يعطي إجابات على هذه الأسئلة.


الصعوبة الأساسية الأخرى هي أنه أثناء تسريع المسبار ، من الضروري ضمان الاتجاه الصحيح للعاكس فيما يتعلق بالحزمة. كيفية استبعاد تأثير تقلبات مجال الموجة والعيوب السطحية للشراع ، والتي ستظهر تحت تأثير التشعيع بكثافة طاقة ~ 100 جيجاوات لكل متر مربع؟ أدنى انحراف للشراع أو تشوهه يمكن أن يؤدي بالمسبار بعيدًا عن الهدف أو حتى يرميه خارج الشعاع. لذلك ، من الضروري التحكم في موضع الشراع (العاكس) أثناء التسارع ، عندما يصل التسارع إلى 20000 جم وأعلى. نحن بحاجة إلى محركات توجيه قوية بما فيه الكفاية يمكنها التغلب على قوى القصور الذاتي ، في حين يجب أن تكون كتلتها الإجمالية أقل من جرام واحد. بما أن مسافة التسارع قريبة من 10 مليون كيلومتر ، فإن تأخير الإشارات في نهاية هذا المسار سيصل إلى 30 ثانية في كل اتجاه. من الواضح أنه لا يمكن تصحيح اتجاه وشكل الشراع في الوقت المناسب ، وبالتالي ، فإن التسارع المستقر للمسبار في اتجاه الحزمة يمثل مشكلة مفتوحة.

بشكل عام ، تم وضع خطة Starhotrough starhot بشكل جيد. يعتمد على النجاحات الحقيقية في تطوير صفائف الليزر المرحلية التي تحققت في DARPA. هذه المنظمة مهتمة بالتأكيد بالنتائج التي سيتم الحصول عليها في سياق الجهود المبذولة لحل الصعوبات الأساسية المرتبطة بتنفيذ هذه الفكرة. ومع ذلك ، على عكس حماس هوكينج ودايسون ، لا تبدو مجدية.

من الواضح أن نقطة ضعف واحدة استعصت على اهتمام المتحمسين. عند الفحص الدقيق ، يتحول إلى فجوة كبيرة يمكن من خلالها أن تقع نجمة الاختراق في هاوية الأوهام غير القابلة للتحقيق. ويرجع ذلك إلى مشكلة انعكاس الإشعاع بطاقة تصل إلى 100 جيجاوات لكل ~ 1 متر مربع. شراع متر. ستقوم عشر من جميع محطات الطاقة الأمريكية بتشغيل مجموعة الليزر لمدة 5 إلى 10 دقائق ، والتي ستركز على شراع يقل حجمه عن متر واحد! ما الذي سيسمح للعاكس بعدم التبخر بمثل هذا التسخين الوحشي؟

للوهلة الأولى ، كل شيء مدروس جيدًا هنا. من المفترض أن يكون الشراع مصنوعًا من مواد متناهية الصغر مثل الجرافين على شكل فيلم ~ 1 ميكرومتر بسماكة انعكاس 99.999٪. تم تحقيق معامل بنسبة 99.995٪ بالفعل ، والنجاحات في هذا الاتجاه تلهم الثقة في إمكانية تحقيق الانعكاس المطلوب. التسارع فوق 20000 جرام يمكن أن يتحمل مثل هذا الفيلم ، وسمكه الصغير ضروري لهذا (الضغط الداخلي للمادة ذات الكثافة $$$\ rho$ وسميكة $$$h$ في اتجاه التسارع $$$a$ يساوي $$$\ rho ha$ بنسلفانيا). افترض أن الفيلم يعكس 99.999٪ من الطاقة المشعة. ثم تحصل على ~ 1 ميغاواط من الحرارة ، والتي يجب التخلص منها. في الفضاء ، لا يمكن القيام بذلك إلا من خلال الإشعاع ، الذي ينظم قانون ستيفان بولتزمان:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

أين $$$I$ - كثافة الإشعاع (W / sq.m) من سطح ساخن إلى درجة حرارة $$$T$ كلفنوف $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$ - ثابت ستيفان بولتزمان (في SI). وفقًا لهذه الصيغة ، لانبعاث الحرارة الزائدة بسعة 1 ميجاوات من 1 مربع. أمتار من السطح ، يجب أن تكون درجة حرارة 2050 ك.

بسبب قانون الإشعاع كيرشوف ،

$$

$$\ frac {r (\ omega، T)} {\ alpha (\ omega، T)} = f (\ omega، T)$$

أين $$$r (\ omega، T)$ - انبعاث الجسم (أي الكثافة الطيفية لتدفق الإشعاع الحراري) ، $$$\ alpha (\ omega، T)$ - قدرتها الاستيعابية (جزء من الإشعاع الساقط بالتردد $$$\ omega$ يمتص في درجة الحرارة $$$T$ ) و $$$f (\ omega، T)$ - الكثافة الطيفية لإشعاع الجسم الأسود عند درجة الحرارة $$$T$ . ويترتب على ذلك أن المرآة الممتصة $$$\ alpha (\ omega، T) = 10 ^ {- 5}$ (= 0.001٪) سيكون لها انبعاث في $$$10 ^ 5$ أقل من الجسم الأسود تمامًا بنفس درجة الحرارة والتردد. لذلك ، عند درجة حرارة سطح 2050 كلفن (ضرورية لإزالة الحرارة الزائدة من 1 ميجاوات لكل 1 متر مربع) ، سوف تنبعث المرآة في طيف شعاع الليزر في $$$10 ^ 5$ طاقة أقل من جسم أسود يشع عند نفس درجة الحرارة في نفس الطيف. لذلك ، من أجل $$$T = 2050 ألف دولا$ سوف تشع المرآة $$$> 10 ^ 5$ مرات طاقة أقل من الجسم الأسود في الطيف بأكمله.

لذلك ، من أجل ضمان إزالة الحرارة الزائدة ، من الضروري زيادة درجة حرارة المرآة بأكثر من $$$(10 ^ 5) ^ {1/4} = 17.78 دولارً$ مرات.

وهكذا ، حتى لو كانت المرآة قادرة على عكس 99.999٪ من إشعاع الليزر بـ 100 جيجاوات لكل 1 متر مربع ، فيجب أن تكون درجة حرارة سطحها أعلى من 36500 كيلو. لاحظ أن قانون ستيفان بولتزمان يعطي نفس النتيجة إذا كان جانبه الأيسر يساوي التدفق الإشعاع لكل فيلم (100 جيجاوات لكل متر مربع). من الواضح أنه لا يمكن للمواد النانومترية تحمل درجة الحرارة هذه لعدة دقائق. وبعبارة أخرى ، فإن الفيلم الذي يعكس 99.999٪ من إشعاع الطاقة المتوسطة سوف يذوب ويتبخر تحت دش فوتونات بقدرة 100 جيجاوات.

مشروع Breakthrough starhot هو محاولة يائسة أخرى للخروج بشيء في موقف حيث لا يريد الكون السماح لشخص يتجاوز النظام الشمسي ، مما يسمح فقط بمراقبة نفسه بشكل سلبي. على ما يبدو ، مثل جميع المشاريع الأخرى لتحقيق أقرب النجوم ، سيبقى حلم الأنابيب.