Hawking atteindra-t-il Alpha Centauri?

Le système Alpha Centauri se compose d'une paire d'étoiles A et B (la première est légèrement plus grande, la seconde est légèrement plus petite que le Soleil), séparées par 24 UA (comparable à la distance du Soleil à Uranus), ainsi que la Proxima naine rouge, située 735 fois plus loin. Proxima est à la hauteur de son nom de «plus proche» - elle a 4,22 années-lumière, et la distance de A et B est proche de 4,37 St. Au cours des 5 dernières années, 3 planètes proches de la Terre ont été trouvées dans ce système stellaire: $$$b$ et $$$c$ tournent autour d'Alpha Centauri B, un autre $$$b$ détenue par Proxima www.openexoplanetcatalogue.com/planet/Alpha%20Centauri%20B%20c . Apparemment seulement proxima $$$b$ détecté de manière plus ou moins fiable, mais en raison de l'instabilité des naines rouges, l'apparition de la vie sur celui-ci est peu probable. Les deux autres planètes (si elles existent réellement) sont trop proches de leur étoile, ayant des périodes orbitales de plusieurs jours. Cependant, ces données ne sont pas fiables. À l'avenir, ils peuvent changer considérablement, tout comme les premières estimations de la masse de Pluton ont diminué de dizaines de fois. De plus, les exoplanètes se trouvent principalement très près des étoiles - où elles sont plus faciles à détecter. Par conséquent, le fait qu'ils aient été trouvés trop chauds inspire confiance en l'existence d'autres planètes.

Citation d'un article sur le site Web de la BBC:

L'homme d'affaires russe Yuri Milner et le célèbre scientifique britannique Stephen Hawking lancent le projet Breakthrough Starshot de 100 millions de dollars, dont le but est de livrer des mini-robots au système stellaire Alpha Centauri le plus proche dans 20 ans.

De minuscules nanosatellites devront atteindre des vitesses pouvant atteindre 160 millions de km / h pour atteindre Alpha Centauri en 20 ans et envoyer des données à la Terre.

Les vols spatiaux interstellaires sont depuis longtemps le rêve de beaucoup, mais les problèmes techniques associés à une telle expédition sont extrêmement complexes.

Cependant, le professeur Hawking a déclaré dans une interview à la BBC que ce rêve pourrait se réaliser plus rapidement que nous ne le pensons.

«Si nous voulons survivre en tant qu'espèce, nous devons atteindre d'autres étoiles», dit-il.
"Selon les astronomes, il y a de fortes chances qu'une planète similaire à la Terre tourne autour d'une des étoiles de la constellation Alpha Centauri", note le scientifique. "Mais nous en apprendrons plus à ce sujet au cours des deux prochaines décennies à l'aide de télescopes situés sur Terre et dans l'espace."

"Le progrès technologique au cours des deux dernières décennies et à l'avenir rend cela possible pour la prochaine génération", dit Hawking. "

L'entreprise a connu un succès spectaculaire - les noms "Stephen Hawking" et "Freeman Dyson" en valent la peine! Dyson a théorisé au début des années 70 comment se rendre à Alpha Centauri à l'aide d' explosions thermonucléaires. Ils ont l'intention d'envoyer un essaim de microsondes au système stellaire le plus proche au cours des 15 à 20 prochaines années, de sorte qu'après un quart de siècle, ils obtiendront une image avec des vues des planètes d'Alpha Centauri B (peu de participants au projet survivront, hélas).

La participation du milliardaire russe Milner à ce projet a suscité un enthousiasme dans l'esprit de «la Russie enverra une sonde à Alpha Centauri», bien que la Russie, en fait, n'y soit pour rien. Cette idée est née dans les entrailles de la DARPA (Agence du Pentagone), travaillant sur des réseaux laser phasés comme systèmes d'armes. Un tel réseau est un ensemble d'amplificateurs à fibre optique à travers lesquels passe un faisceau laser divisé. Le système de contrôle des phases des faisceaux parallèles vous permet de focaliser le faisceau total, ainsi que de le contrôler pour la visée. En plus de l'idée évidente d'assembler plusieurs lasers en une «configuration Gatling», le rôle clé est joué par l'interférence contrôlée des faisceaux amplifiés, qui permet d'émuler même un faisceau de photons convergeant (!). En d'autres termes, le motif de diffraction sur la surface orthogonal au rayon de la surface est tel que le point lumineux en son centre a une petite taille par rapport à la taille du réseau laser, et sa luminosité est plusieurs fois supérieure aux autres maximums d'éclairage. Dans le même temps, une partie importante de l'énergie rayonnée par le réseau phasé tombe sur ce point lumineux, dont la taille peut diminuer avec la distance de l'installation.

Le projet militaire correspondant DARPA porte le glorieux nom d'Excalibur (ne le confondez pas avec Excalibur de l'époque de la SDI ). Le plan Starhot Breakthrough lui est organiquement lié, dont les détails sont exposés dans un article avec le titre ambitieux, " Road Map to Interstellar Flight ".

Il est proposé de créer un réseau phasé de 100 millions de lasers infrarouges ( $$$\ lambda \ environ 1$ microns) situé sur une section carrée de la Terre avec un côté de 10 km - un laser chacun avec une puissance de ~ 1 kW pour 1 sq. mètre L'interférence de ces rayons devrait produire une onde électromagnétique avec un bord d'attaque légèrement concave, violet sur la figure ci-dessus. On suppose que l'angle de convergence du faisceau ainsi obtenu sera ~ $$ Je suis content et le flux de puissance à travers sa section est de ~ 100 GW. Le diamètre maximal de ce faisceau est de ~ 10 m, c'est-à-dire que le maximum de diffraction le plus brillant sur la surface normale au faisceau diminue progressivement de ~ 10 m à ~ 1 m à mesure que la surface s'éloigne du réseau de ~ 10 millions de km.


On suppose qu'une microsonde d'une masse de 1 gramme et une voile de 0,85 m de même masse sous pression légère atteindront en 3 minutes une vitesse de 43 000 km / s, passant 4 millions de km. A ce moment, le diamètre du faisceau est égal à la taille de la voile, et l'accélération de la sonde atteint un maximum de 23 700 g (!). Par la suite, une tache lumineuse sur la voile diminue, mais l'accélération reste inchangée et incroyablement grande. Après encore 76 secondes, la sonde passera environ 4 millions de km et l'accélération s'arrêtera (le faisceau sera éteint). À une vitesse de croisière de 61000 km / s, soit environ 20% de la vitesse de la lumière, la sonde s'envolera pour Alpha Centauri, qui durera 20 ans.

La sonde est un substrat avec des puces, une batterie, une caméra vidéo et un micro laser pour transmettre des informations à la Terre. Des dispositifs sont possibles qui (et si) peuvent être rendus assez miniatures (poids total de la sonde 1 g sans voile). On suppose que la voile, le même réflecteur, peut être utilisée comme antenne de focalisation pour des impulsions laser d'une puissance de ~ 1 W. Bien qu'il ne soit pas encore clair en principe comment mettre en œuvre cette idée. Si le réflecteur se présente sous la forme d'un paraboloïde de révolution et que la source ponctuelle de lumière est focalisée, un faisceau étroitement dirigé peut être obtenu. Mais sa divergence sera bien plus importante que la commande $$ rad (limite de diffraction à $$$\ lambda = 1$ μm et une ouverture de ~ 1 m est de l'ordre $$ ), que les auteurs de Breakthrough starhot étaient trop optimistes quant à la base pour évaluer la possibilité de rétroaction.

Un réseau phasé peut être utilisé comme antenne de réception (les photons arrivant passeront des amplificateurs dans la direction opposée, provoquant une avalanche de quanta à détecter). On pense que le microlaser à sonde, utilisant la focalisation avec un réflecteur, fournira une irradiation du réseau avec un flux de photons d'une densité de 650 pièces par seconde. Selon les auteurs du projet, lors du codage d'un bit d'information avec un quantum, cela permettra aux données d'être transmises à la Terre à une vitesse de 650 bits / sec.

Starhot révolutionnaire implique le lancement de milliers de microsondes, ce qui augmentera simultanément la fiabilité du projet. Cependant, la gestion du fonctionnement de milliers de sondes sera impossible en raison d'un retard de 4 ans dans la réception des signaux. Par conséquent, ils devront prendre leurs propres décisions, pour lesquels des capteurs et un microprocesseur suffisamment puissant sont nécessaires, et surtout, des moteurs d'orientation et de correction des trajectoires à l'approche d'Alpha Centauri. Les sondes doivent interagir les unes avec les autres, une communication radio fiable est donc nécessaire. Les impulsions laser pour rechercher des "partenaires" ne conviennent pas, car pour une telle connexion, vous devez savoir où diriger le faisceau.

Et ils devront se chercher les uns les autres, et à des distances, peut-être en millions de kilomètres. La dispersion des sondes sur le chemin d'Alpha Centauri sera énorme, sans aucune possibilité de corriger leurs trajectoires depuis la Terre à l'approche. Il est important de garder à l'esprit qu'ils n'auront pas la possibilité de ralentir à l'arrivée, ils devront donc prendre des décisions et agir très rapidement (le temps de vol près d'une planète terrestre sera d'une fraction de seconde). Et pour cela, vous avez besoin d'énergie et d'optique pour la navigation - sur une sonde de 1 gramme!

À cet égard, un autre problème fondamental se pose: comment une sonde d'une masse de ~ 1 g peut-elle trouver le Soleil sans optique pour l'astronavigation? Il convient de noter qu'en raison de la divergence du faisceau de la sonde, il couvrira une région de milliards de kilomètres dans le système solaire, vous devez donc viser au soleil. Mais comment la microsonde le verra-t-elle? Pas question!

Ainsi, le problème de la collecte et de la transmission d'informations des microsondes à la Terre est incroyablement complexe. Il est peu probable qu'il soit surmontable en principe, s'il n'est pas satisfait des signaux que les sondes ont volé près de leur destination. Bien que même de tels messages soient extrêmement difficiles à obtenir! Si l'angle de divergence du faisceau par rapport à la sonde est $$ Je suis heureux qu'avec une puissance de 1 W par réseau phasé de 10 sur 10 km, 650 photons arrivent vraiment d'Alpha Centauri en une seconde (le reste passera à cause de la divergence du faisceau). Mais ici, la dispersion sur le chemin de la Terre et dans l'atmosphère, ainsi que le fond de photons du Soleil et des objets environnants, ne sont pas pris en compte. Comment distinguer un photon infrarouge arrivant d'une sonde à 40 000 milliards de km de tout autre ayant la même longueur d'onde? L'auteur de la feuille de route ne donne pas de réponses à ces questions.


Une autre difficulté fondamentale est que lors de l'accélération de la sonde il est nécessaire d'assurer l'orientation correcte du réflecteur par rapport au faisceau. Comment exclure l'influence des fluctuations du champ de vagues et des défauts de surface de la voile, qui apparaîtront sous l'action de l'irradiation avec une densité d'énergie de ~ 100 GW par mètre carré? La moindre déviation de la voile ou sa déformation peut éloigner la sonde de la cible ou même la jeter hors du faisceau. Par conséquent, il est nécessaire de contrôler la position de la voile (réflecteur) pendant l'accélération, lorsque l'accélération atteint un énorme 20 000 g et plus. Nous avons besoin de moteurs d'orientation suffisamment puissants pour surmonter les forces d'inertie, alors qu'ils doivent avoir une masse totale inférieure à un gramme. La distance d'accélération étant proche de 10 millions de km, le retard des signaux à la fin de ce trajet atteindra 30 secondes dans chaque direction. Il est clair qu'une correction opportune de l'orientation et de la forme de la voile n'est pas possible, par conséquent, une accélération stable de la sonde dans la direction du faisceau est un problème ouvert.

Dans l'ensemble, le plan Starhot Breakthrough est assez bien présenté. Il s'appuie sur les véritables succès dans le développement de réseaux laser phasés réalisés au DARPA. Cette organisation est certainement intéressée par les résultats qui seront obtenus au cours des efforts pour résoudre les difficultés fondamentales liées à la mise en œuvre de cette idée. Cependant, contrairement à l'enthousiasme de Hawking et Dyson, elle ne semble pas réalisable.

De toute évidence, un point faible a échappé à l'attention des passionnés. En y regardant de plus près, il se transforme en un énorme fossé à travers lequel le starhot Breakthrough peut tomber dans l'abîme de fantasmes irréalisables. Cela est dû au problème de réflexion du rayonnement avec une puissance de ~ 100 GW par ~ 1 sq. voile au mètre. Un dixième de toutes les centrales électriques américaines alimentera le réseau laser pendant 5 à 10 minutes, qu'il concentrera sur une voile de moins d'un mètre! Qu'est-ce qui permettra au réflecteur de ne pas s'évaporer avec un chauffage aussi monstrueux?

À première vue, tout est bien pensé ici. La voile est supposée être constituée de nanomatériaux tels que le graphène sous forme d'un film ~ 1 μm d'épaisseur avec un coefficient de réflexion de 99,999%. Un coefficient de 99,995% a déjà été atteint, les succès dans cette direction donnent confiance que la réflexion souhaitée peut être obtenue. Une accélération supérieure à 20 000g qu'un tel film peut supporter, et sa micro-épaisseur est indispensable pour cela (contrainte interne d'un matériau de densité $$$\ rho$ et épais $$$h$ dans le sens de l'accélération $$$a$ est égal $$$\ rho ha$ Pa). Supposons qu'un film reflète 99,999% de l'énergie rayonnante. Ensuite, elle obtient ~ 1 MW de chaleur, qui doit être éliminée. Dans l'espace, cela ne peut se faire que par rayonnement, qui règle la loi de Stefan-Boltzmann:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

où $$$I$ - intensité de rayonnement (W / m2) d'une surface chauffée à une température $$$T$ Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$ - Constante Stefan-Boltzmann (en SI). Selon cette formule, pour l'émission de chaleur excédentaire d'une capacité de 1 MW à partir de 1 carré. mètres de surface, il devrait avoir une température de 2050 K.

En raison de la loi de Kirchhoff sur le rayonnement,

$$

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

où $$$r (\ oméga, T)$ - l'émissivité du corps (c'est-à-dire la densité spectrale du flux de rayonnement thermique), $$$\ alpha (\ oméga, T)$ - sa capacité d'absorption (fraction de rayonnement incident avec fréquence $$$\ omega$ absorbé à température $$$T$ ) et $$$f (\ oméga, T)$ - densité spectrale du rayonnement du corps noir à température $$$T$ . Il s'ensuit que le miroir absorbant $$$\ alpha (\ omega, T) = 10 ^ {- 5}$ (= 0,001%) aura une émissivité dans $$ fois moins qu'un corps complètement noir à la même température et fréquence. Par conséquent, à une température de surface de 2050 K (nécessaire pour éliminer l'excès de chaleur de 1 MW par 1 m2), le miroir émettra dans le spectre du faisceau laser dans $$ fois moins d'énergie qu'un corps noir irradierait à la même température dans le même spectre. Par conséquent, pour $$$T = 2050K$ le miroir irradiera $$$> 10 ^ 5$ fois moins d'énergie qu'un corps noir dans tout le spectre.

Par conséquent, afin d'assurer l'élimination de la chaleur excessive, il est nécessaire d'augmenter la température du miroir de plus de $$$(10 ^ 5) ^ {1/4} = 17,78$ fois.

Ainsi, même si un miroir est capable de réfléchir 99,999% du rayonnement laser de 100 GW par 1 m2, alors sa température de surface devrait être supérieure à 36 500 K. A noter que la loi de Stefan-Boltzmann donne le même résultat si son côté gauche est égal au flux rayonnement par film (100 GW par m2). Évidemment, aucun nanomatériau ne peut résister à cette température pendant plusieurs minutes. En d'autres termes, un film réfléchissant 99,999% du rayonnement d'énergie modérée fondra et s'évaporera sous une pluie de photons de 100 GW.

Le projet Starhot Breakthrough est une autre tentative désespérée de trouver quelque chose dans une situation où l'Univers ne veut pas laisser une personne aller au-delà du système solaire, ne permettant que de s'observer passivement. Apparemment, comme tous les autres projets pour atteindre les étoiles les plus proches, cela restera un rêve de pipe.