В какой-то момент жизни каждый из нас задавал этот вопрос: как долго лететь к звездам? Можно ли осуществить такой перелет за одну человеческую жизнь, могут ли такие полеты стать нормой повседневности? На этот сложный вопрос очень много ответов, в зависимости от того, кто спрашивает. Некоторые простые, другие сложнее. Чтобы найти исчерпывающий ответ, слишком многое нужно принять во внимание.
К сожалению, никаких реальных оценок, которые помогли бы найти такой ответ, не существует, и это расстраивает футурологов и энтузиастов межзвездных путешествий. Нравится нам это или нет, космос очень большой (и сложный), и наши технологии все еще ограничены. Но если мы когда-нибудь решимся покинуть «родное гнездышко», у нас будет несколько способов добраться до ближайшей звездной системы в нашей галактике.
Ближайшей звездой к нашей Земле является Солнце, вполне себе «средняя» звезда по схеме «главной последовательности» Герцшпрунга – Рассела. Это означает, что звезда весьма стабильна и обеспечивает достаточно солнечного света, чтобы на нашей планете развивалась жизнь. Мы знаем, что вокруг звезд рядом с нашей Солнечной системой вращаются и другие планеты, и многие из этих звезд похожи на нашу собственную.
В будущем, если человечество желает покинуть Солнечную систему, у нас будет огромный выбор звезд, на которые мы могли бы попасть, и многие из них вполне могут располагать благоприятными для жизни условиями. Но куда мы отправимся и сколько времени у нас займет дорога туда? Не забывайте, что все это всего лишь домыслы, и нет никаких ориентиров для межзвездных путешествий в настоящее время. Ну, как говорил Гагарин, поехали!
Дотянуться до звезды
Как уже отмечалось, ближайшая звезда к нашей Солнечной системе - это Проксима Центавра, и поэтому имеет большой смысл начать планирование межзвездной миссии именно с нее. Будучи частью тройной звездной системы Альфа Центавра, Проксима находится в 4,24 световых лет (1,3 парсек) от Земли. Альфа Центавра - это, по сути, самая яркая звезда из трех в системе, часть тесной бинарной системы в 4,37 световых лет от Земли - тогда как Проксима Центавра (самая тусклая из трех) представляет собой изолированный красный карлик в 0,13 световых лет от двойной системы.
И хотя беседы о межзвездных путешествиях навевают мысли о всевозможных путешествиях «быстрее скорости света» (БСС), начиная от варп-скоростей и червоточины до подпространственных двигателей, такие теории либо в высшей степени вымышлены (вроде двигателя Алькубьерре), либо существуют лишь в научной фантастике. Любая миссия в глубокий космос растянется на поколения людей.
Итак, если начинать с одной из самых медленных форм космических путешествий, сколько времени потребуется, чтобы добраться до Проксимы Центавра?
Современные методы
Вопрос оценки длительности перемещения в космосе куда проще, если в нем замешаны существующие технологии и тела в нашей Солнечной системе. К примеру, используя технологию, используемую миссией «Новых горизонтов», 16 двигателей на гидразиновом монотопливе, можно добраться до Луны всего за 8 часов и 35 минут.
Есть также миссия SMART-1 Европейского космического агентства, которая двигалась к Луне с помощью ионной тяги. С этой революционной технологией, вариант которой использовал также космический зонд Dawn, чтобы достичь Весты, миссии SMART-1 потребовался год, месяц и две недели, чтобы добраться до Луны.
От быстрого ракетного космического аппарата до экономного ионного двигателя, у нас есть парочка вариантов передвижения по местному космосу - плюс можно использовать Юпитер или Сатурн как огромную гравитационную рогатку. Тем не менее, если мы планируем выбраться чуть подальше, нам придется наращивать мощь технологий и изучать новые возможности.
Когда мы говорим о возможных методах, мы говорим о тех, что вовлекают существующие технологии, или о тех, которых пока не существуют, но которые технически осуществимы. Некоторые из них, как вы увидите, проверены временем и подтверждены, а другие пока остаются под вопросом. Вкратце, они представляют возможный, но очень затратный по времени и финансам сценарий путешествия даже к ближайшей звезде.
Ионное движение
Сейчас самой медленной и самой экономичной формой двигателя является ионный двигатель. Несколько десятилетий назад ионное движение считалось предметом научной фантастики. Но в последние года технологии поддержки ионных двигателей перешли от теории к практике, и весьма успешно. Миссия SMART-1 Европейского космического агентства - пример успешно проведенной миссии к Луне за 13 месяцев спирального движения от Земли.
SMART-1 использовала ионные двигатели на солнечной энергии, в которых электроэнергия собиралась солнечными батареями и использовалась для питания двигателей эффекта Холла. Чтобы доставить SMART-1 на Луну, потребовалось всего 82 килограмма ксенонового топлива. 1 килограмм ксенонового топлива обеспечивает дельта-V в 45 м/с. Это крайне эффективная форма движения, но далеко не самая быстрая.
Одной из первых миссий, использовавших технологию ионного двигателя, была миссия Deep Space 1 к комете Боррелли в 1998 году. DS1 тоже использовал ксеноновый ионный двигатель и потратил 81,5 кг топлива. За 20 месяцев тяги DS1 развил скорости в 56 000 км/ч на момент пролета кометы.
Ионные двигатели более экономичны, чем ракетные технологии, поскольку их тяга на единицу массы ракетного топлива (удельный импульс) намного выше. Но ионным двигателям нужно много времени, чтобы разогнать космический аппарат до существенных скоростей, и максимальная скорость зависит от топливной поддержки и объемов выработки электроэнергии.
Поэтому, если использовать ионное движение в миссии к Проксиме Центавра, двигатели должны иметь мощный источник энергии (ядерная энергия) и большие запасы топлива (хотя и меньше, чем обычные ракеты). Но если отталкиваться от допущения, что 81,5 кг ксенонового топлива переводится в 56 000 км/ч (и не будет никаких других форм движения), можно произвести расчеты.
На максимальной скорости в 56 000 км/ч Deep Space 1 потребовалось бы 81 000 лет, чтобы преодолеть 4,24 световых года между Землей и Проксимой Центавра. По времени это порядка 2700 поколений людей. Можно с уверенностью сказать, что межпланетный ионный двигатель будет слишком медленным для пилотируемой межзвездной миссии.
Но если ионные двигатели будут крупнее и мощнее (то есть скорость исхода ионов будет значительно выше), если будет достаточно ракетного топлива, которого хватит на все 4,24 световых года, время путешествия значительно сократится. Но все равно останется значительно больше срока человеческой жизни.
Гравитационный маневр
Самый быстрый способ космических путешествий - это использование гравитационного маневра. Этот метод включает использование космическим аппаратом относительного движения (то есть орбиту) и гравитации планеты для изменения пути и скорости. Гравитационные маневры являются крайне полезной техникой космических полетов, особенно при использовании Земли или другой массивной планеты (вроде газового гиганта) для ускорения.
Космический аппарат Mariner 10 первым использовал этот метод, используя гравитационную тягу Венеры для разгона в сторону Меркурия в феврале 1974 года. В 1980-х зонд «Вояджер-1» использовал Сатурн и Юпитер для гравитационных маневров и разгона до 60 000 км/ч с последующим выходом в межзвездное пространство.
Миссии Helios 2, которая началась в 1976 году и должна была исследовать межпланетную среду между 0,3 а. е. и 1 а. е. от Солнца, принадлежит рекорд самой высокой скорости, развитой с помощью гравитационного маневра. На тот момент Helios 1 (запущенному в 1974 году) и Helios 2 принадлежал рекорд самого близкого подхода к Солнцу. Helios 2 был запущен обычной ракетой и выведен на сильно вытянутую орбиту.
Из-за большого эксцентриситета (0,54) 190-дневной солнечной орбиты, в перигелии Helios 2 удалось достичь максимальной скорости свыше 240 000 км/ч. Эта орбитальная скорость была развита за счет только лишь гравитационного притяжения Солнца. Технически скорость перигелия Helios 2 не была результатом гравитационного маневра, а максимальной орбитальной скоростью, но аппарат все равно удерживает рекорд самого быстрого искусственного объекта.
Если бы «Вояджер-1» двигался в направлении красного карлика Проксимы Центавра с постоянной скорость в 60 000 км/ч, ему потребовалось бы 76 000 лет (или более 2500 поколений), чтобы преодолеть это расстояние. Но если бы зонд развил рекордную скорость Helios 2 - постоянную скорость в 240 000 км/ч - ему потребовалось бы 19 000 лет (или более 600 поколений), чтобы преодолеть 4,243 световых года. Существенно лучше, хотя и близко не практично.
Электромагнитный двигатель EM Drive
Другой предложенный метод межзвездных путешествий - это радиочастотный двигатель с резонансной полостью, известный также как EM Drive. У предложенного еще в 2001 году Роджером Шойером, британским ученым, который создал Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) для реализации проекта, двигателя в основе лежит идея того, что электромагнитные микроволновые полости позволяют напрямую преобразовывать электроэнергию в тягу.
Если традиционные электромагнитные двигатели предназначены для приведения в движение определенной массы (вроде ионизированных частиц), конкретно эта двигательная система не зависит от реакции массы и не испускает направленного излучения. Вообще, этот двигатель встретили с изрядной долей скепсиса во многом потому, что он нарушает закон сохранения импульса, согласно которому импульс системы остается постоянным и его нельзя создать или уничтожить, а только изменить под действием силы.
Тем не менее последние эксперименты с этой технологией очевидно привели к положительным результатам. В июле 2014 года, на 50-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в Кливленде, штат Огайо, ученые NASA, занимающиеся передовыми реактивными разработками, заявили, что успешно испытали новую конструкцию электромагнитного двигателя.
В апреле 2015 года ученые NASA Eagleworks (часть Космического центра им. Джонсона) заявили, что успешно испытали этот двигатель в вакууме, что может указывать на возможное применение в космосе. В июле того же года группа ученых из отделения космических систем Дрезденского технологического университета разработала собственную версию двигателя и наблюдала ощутимую тягу.
В 2010 году профессор Чжуан Янг из Северо-Западного политехнического университета в Сиань, Китай, начала публиковать серию статей о своих исследованиях технологии EM Drive. В 2012 году она сообщила о высокой входной мощности (2,5 кВт) и зафиксированной тяге в 720 мн. В 2014 году она также провела обширные испытания, включая замеры внутренней температуры со встроенными термопарами, которые показали, что система работает.
По расчетам на базе прототипа NASA (которому дали оценку мощности в 0,4 Н/киловатт), космический аппарат на электромагнитном двигателе может осуществить поездку к Плутону менее чем за 18 месяцев. Это в шесть раз меньше, чем потребовалось зонду «Новые горизонты», который двигался на скорости 58 000 км/ч.
Звучит впечатляюще. Но даже в таком случае корабль на электромагнитных двигателях будет лететь к Проксиме Центавра 13 000 лет. Близко, но все еще недостаточно. Кроме того, пока в этой технологии не будут расставлены все точки над ё, рано говорить о ее использовании.
Ядерное тепловое и ядерное электрическое движение
Еще одна возможность осуществить межзвездный перелет - использовать космический аппарат, оснащенный ядерными двигателями. NASA десятилетиями изучало такие варианты. В ракете на ядерном тепловом движении можно было бы использовать урановые или дейтериевые реакторы, чтобы нагревать водород в реакторе, превращая его в ионизированный газ (плазму водорода), который затем будет направляться в сопло ракеты, генерируя тягу.
Ракета с ядерным электрическим приводом включает тот же реактор, преобразующий тепло и энергию в электроэнергию, которая затем питает электродвигатель. В обоих случаях ракета будет полагаться на ядерный синтез или ядерное деление для создания тяги, а не на химическое топливо, на котором работают все современные космические агентства.
По сравнению с химическими двигателями, у ядерных есть неоспоримые преимущества. Во-первых, это практически неограниченная энергетическая плотность по сравнению с ракетным топливом. Кроме того, ядерный двигатель также будет вырабатывать мощную тягу по сравнению с используемым объемом топлива. Это позволит сократить объемы необходимого топлива, а вместе с тем вес и стоимость конкретного аппарата.
Хотя двигатели на тепловой ядерной энергии пока в космос не выходили, их прототипы создавались и испытывались, а предлагалось их еще больше.
И все же, несмотря на преимущества в экономии топлива и удельном импульсе, самая лучшая из предложенных концепций ядерного теплового двигателя имеет максимальный удельный импульс в 5000 секунд (50 кН·c/кг). Используя ядерные двигатели, работающие на ядерном делении или синтезе, ученые NASA могли бы доставить космический аппарат на Марс всего за 90 дней, если Красная планета будет в 55 000 000 километрах от Земли.
Но если говорить о путешествии к Проксиме Центавра, ядерной ракете потребуются столетия, чтобы разогнаться до существенной доли скорости света. Потом потребуются несколько десятилетий пути, а за ними еще много веков торможения на пути к цели. Мы все еще в 1000 годах от пункта назначения. Что хорошо для межпланетных миссий, не так хорошо для межзвездных.
Альфа Центавра — цель полетов космических кораблей во многих произведениях, принадлежащих к жанру научной фантастики. Это ближайшая к нам звезда относится к небесному рисунку, воплощающему легендарного кентавра Хирона, согласно греческой мифологии, бывшего учителем Геракла и Ахилла.
Современные исследователи, как и писатели, неустанно возвращаются в мыслях к этой звездной системе, поскольку она не только первый кандидат на длительную космическую экспедицию, но и возможный обладатель населенной планеты.
Звездная система Альфа Центавра включает в себя три космических объекта: две звезды с аналогичным названием и обозначениями А и В, а также Для подобных звезд характерно близкое расположение двух компонентов и удаленное — третье. Проксима является как раз последним. Расстояние до Альфа Центавра со всеми ее элементами составляет примерно 4,3 Звезд, расположенных ближе к Земле, на данный момент нет. При этом быстрее всего лететь до Проксимы: нас разделяют всего 4,22 световых года.
Альфа Центавра А и В отличаются от компаньонки не только расстоянием до Земли. Они в отличие от Проксимы во многом похожи на Солнце. Альфа Центавра А или Ригель Кентаврус (в переводе означает «нога Кентавра») более яркий компонент пары. Толиман А, как еще называют эту звезду, — желтый карлик. С Земли его отлично видно, так как он обладает нулевой звездной величиной. Этот параметр делает ее четвертой в списке самых ярких точек ночного неба. Размер объекта практически также совпадает с солнечным.
Звезда Альфа Центавра В уступает нашему светилу по массе (примерно 0,9 от величин соответствующего параметра Солнца). Она относится к объектам первой звездной величины, а уровень ее светимости приблизительно в два раза меньше, чем у главной звезды нашего кусочка Галактики. Расстояние между двумя соседними компаньонами составляет 23 астрономические единицы, то есть они расположены в 23 раза дальше друг от друга, чем Земля от Солнца. Толиман А и Толиман В вместе вращаются вокруг одного центра масс с периодом в 80 лет.
Ученые, как уже говорилось, возлагают немалые надежды на обнаружение жизни в окрестностях звезды Альфа Центавра. Планеты, предположительно существующие здесь, могут походить на Землю аналогично тому, как сами компоненты системы напоминают наше светило. До недавнего времени, однако, подобных космических тел вблизи звезды обнаружено не было. Расстояние не позволяет непосредственно наблюдать планеты. Получение доказательств существования землеподобного объекта стало возможным только с усовершенствованием техники.
С помощью метода лучевых скоростей ученые смогли обнаружить совсем небольшие колебания Толимана В, возникающие под воздействием гравитационных сил планеты, вращающейся вокруг него. Таким образом, были получены доказательства существования, по крайней мере, одного подобного объекта в системе. Колебания, вызываемые планетой, проявляются в виде ее смещения на 51 см в секунду вперед и затем назад. В условиях Земли подобное движение пусть даже самого большого тела было бы очень заметно. Однако на расстоянии 4,3 световых лет обнаружение такого колебания кажется невозможным. Тем не менее, оно было зарегистрировано.
Найденная планета обращается вокруг Альфы Центавра В за 3,2 дня. Она расположена очень близко к звезде: радиус орбиты в десять раз меньше соответствующего параметра, характерного для Меркурия. Масса этого космического объекта близка к земной и составляет примерно 1,1 от массы Голубой планеты. На этом схожесть заканчивается: близкое расположение, по мнению ученых, позволяет предположить, что возникновение жизни на планете невозможно. Энергия светила, достигающая ее поверхности, слишком сильно нагревает ее.
Третья составляющая делающая знаменитым все созвездие, — Альфа Центавра С или Проксима Центавра. Название космического тела в переводе означает «ближайшая». Проксима стоит от своих компаньонов на расстоянии, равном 13 000 световых лет. Это объект одиннадцатой красный карлик, маленький (примерно в 7 раз меньше Солнца) и очень тусклый. Увидеть его невооруженным глазом невозможно. Для Проксимы характерно «беспокойное» состояние: звезда способна за несколько минуть изменить величину своего блеска в два раза. Причина такого «поведения» во внутренних процессах, протекающих в недрах карлика.
Проксима на протяжении долгого времени считалась третьим элементов системы Альфа Центавра, делающим оборот вокруг пары А и В примерно за 500 лет. Однако в последнее время набирает силу мнение, что красный карлик не имеет к ним отношения, и взаимодействие трех космических тел — временное явление.
Поводом для сомнений стали данные, гласившие, что сплоченная пара звезд не имеет достаточной притяжения, чтобы удерживать еще и Проксиму. Полученные в начале 90-х годов прошлого века сведения долго нуждались в дополнительных подтверждениях. Последние наблюдения и вычисления ученых однозначного ответа не дали. По предположениям, Проксима все-таки может быть частью тройной системы и двигаться вокруг общего гравитационного центра. При этом ее орбита должна походить на вытянутый овал, причем самая удаленная точка от центра — та, в которой звезду наблюдают сейчас.
Как бы то ни было, а именно к Проксиме планируется долететь в первую очередь, когда это станет возможным. Путешествие до Альфы Центавра при современном уровне развития космической техники может продлиться больше 1000 лет. Такой временной отрезок просто немыслим, потому ученые активно занимаются поисками вариантов его сокращения.
Группа исследователей NASA во главе с Гарольдом Уайтом разрабатывает проект «Скорость», результатом которого должен стать новый двигатель. Его особенность будет заключаться в возможности преодоления скорости света, благодаря чему полет от Земли до ближайшей звезды составит всего две недели. Подобное чудо техники станет настоящим шедевром сплоченной работы физиков-теоретиков и экспериментаторов. Пока, однако, корабль, преодолевающий скорость света, — дело будущего. По оценкам Марка Миллиса, некогда работавшего в NASA, подобные технологии, при условии существующей на данный момент скорости движения прогресса, станут реальностью не раньше чем через двести лет. Сокращение срока возможно, только если будет сделано открытие, способное кардинально изменить существующие представления о космических полетах.
Сейчас Проксима Центавра и ее компаньоны остаются амбициозной целью, недостижимой в ближайшем будущем. Техника, тем не менее, постоянно совершенствуется, и новые сведения о характеристиках звездной системы — тому наглядные доказательства. Уже сегодня ученые могут многое из того, о чем 40-50 лет назад и мечтать не приходилось.
В какой-то момент жизни каждый из нас задавал этот вопрос: как долго лететь к звездам? Можно ли осуществить такой перелет за одну человеческую жизнь, могут ли такие полеты стать нормой повседневности? На этот сложный вопрос очень много ответов, в зависимости от того, кто спрашивает. Некоторые простые, другие сложнее. Чтобы найти исчерпывающий ответ, слишком многое нужно принять во внимание.
К сожалению, никаких реальных оценок, которые помогли бы найти такой ответ, не существует, и это расстраивает футурологов и энтузиастов межзвездных путешествий. Нравится нам это или нет, космос очень большой (и сложный), и наши технологии все еще ограничены. Но если мы когда-нибудь решимся покинуть «родное гнездышко», у нас будет несколько способов добраться до ближайшей звездной системы в нашей галактике.
Ближайшей звездой к нашей Земле является Солнце, вполне себе «средняя» звезда по схеме «главной последовательности» Герцшпрунга – Рассела. Это означает, что звезда весьма стабильна и обеспечивает достаточно солнечного света, чтобы на нашей планете развивалась жизнь. Мы знаем, что вокруг звезд рядом с нашей Солнечной системой вращаются и другие планеты, и многие из этих звезд похожи на нашу собственную.
В будущем, если человечество желает покинуть Солнечную систему, у нас будет огромный выбор звезд, на которые мы могли бы отправиться, и многие из них вполне могут располагать благоприятными для жизни условиями. Но куда мы отправимся и сколько времени у нас займет дорога туда? Не забывайте, что все это всего лишь домыслы, и нет никаких ориентиров для межзвездных путешествий в настоящее время. Ну, как говорил Гагарин, поехали!
Как уже отмечалось, ближайшая звезда к нашей Солнечной системе - это Проксима Центавра, и поэтому имеет большой смысл начать планирование межзвездной миссии именно с нее. Будучи частью тройной звездной системы Альфа Центавра, Проксима находится в 4,24 светового года (1,3 парсека) от Земли. Альфа Центавра - это, по сути, самая яркая звезда из трех в системе, часть тесной бинарной системы в 4,37 светового года от Земли - тогда как Проксима Центавра (самая тусклая из трех) представляет собой изолированный красный карлик в 0,13 световых лет от двойной системы.
И хотя беседы о межзвездных путешествиях навевают мысли о всевозможных путешествиях «быстрее скорости света» (БСС), начиная от варп-скоростей и червоточины до подпространственных двигателей, такие теории либо в высшей степени вымышлены (вроде двигателя Алькубьерре), либо существуют лишь в научной фантастике. Любая миссия в глубокий космос растянется на поколения людей.
Итак, если начинать с одной из самых медленных форм космических путешествий, сколько времени потребуется, чтобы добраться до Проксимы Центавра?
Вопрос оценки длительности перемещения в космосе куда проще, если в нем замешаны существующие технологии и тела в нашей Солнечной системе. К примеру, используя технологию, используемую миссией «Новых горизонтов», 16 двигателей на гидразиновом монотопливе, можно добраться до Луны всего за 8 часов и 35 минут.
Есть также миссия SMART-1 Европейского космического агентства, которая двигалась к Луне с помощью ионной тяги. С этой революционной технологией, вариант которой использовал также космический зонд Dawn, чтобы достичь Весты, миссии SMART-1 потребовался год, месяц и две недели, чтобы добраться до Луны.
От быстрого ракетного космического аппарата до экономного ионного двигателя, у нас есть парочка вариантов передвижения по местному космосу - плюс можно использовать Юпитер или Сатурн как огромную гравитационную рогатку. Тем не менее, если мы планируем выбраться чуть подальше, нам придется наращивать мощь технологий и изучать новые возможности.
Когда мы говорим о возможных методах, мы говорим о тех, что вовлекают существующие технологии, или о тех, которых пока не существуют, но которые технически осуществимы. Некоторые из них, как вы увидите, проверены временем и подтверждены, а другие пока остаются под вопросом. Вкратце, они представляют возможный, но очень затратный по времени и финансам сценарий путешествия даже к ближайшей звезде.
Сейчас самой медленной и самой экономичной формой двигателя является ионный двигатель. Несколько десятилетий назад ионное движение считалось предметом научной фантастики. Но в последние года технологии поддержки ионных двигателей перешли от теории к практике, и весьма успешно. Миссия SMART-1 Европейского космического агентства - пример успешно проведенной миссии к Луне за 13 месяцев спирального движения от Земли.
SMART-1 использовала ионные двигатели на солнечной энергии, в которых электроэнергия собиралась солнечными батареями и использовалась для питания двигателей эффекта Холла. Чтобы доставить SMART-1 на Луну, потребовалось всего 82 килограмма ксенонового топлива. 1 килограмм ксенонового топлива обеспечивает дельта-V в 45 м/с. Это крайне эффективная форма движения, но далеко не самая быстрая.
Одной из первых миссий, использовавших технологию ионного двигателя, была миссия Deep Space 1 к комете Боррелли в 1998 году. DS1 тоже использовал ксеноновый ионный двигатель и потратил 81,5 кг топлива. За 20 месяцев тяги DS1 развил скорости в 56 000 км/ч на момент пролета кометы.
Ионные двигатели более экономичны, чем ракетные технологии, поскольку их тяга на единицу массы ракетного топлива (удельный импульс) намного выше. Но ионным двигателям нужно много времени, чтобы разогнать космический аппарат до существенных скоростей, и максимальная скорость зависит от топливной поддержки и объемов выработки электроэнергии.
Поэтому, если использовать ионное движение в миссии к Проксиме Центавра, двигатели должны иметь мощный источник энергии (ядерная энергия) и большие запасы топлива (хотя и меньше, чем обычные ракеты). Но если отталкиваться от допущения, что 81,5 кг ксенонового топлива переводится в 56 000 км/ч (и не будет никаких других форм движения), можно произвести расчеты.
На максимальной скорости в 56 000 км/ч Deep Space 1 потребовалось бы 81 000 лет, чтобы преодолеть 4,24 светового года между Землей и Проксимой Центавра. По времени это порядка 2700 поколений людей. Можно с уверенность сказать, что межпланетный ионный двигатель будет слишком медленным для пилотируемой межзвездной миссии.
Но если ионные двигатели будут крупнее и мощнее (то есть скорость исхода ионов будет значительно выше), если будет достаточно ракетного топлива, которого хватит на все 4,24 светового года, время путешествия значительно сократится. Но все равно останется значительно больше срока человеческой жизни.
Самый быстрый способ космических путешествий - это использование гравитационного маневра. Этот метод включает использование космическим аппаратом относительного движения (то есть орбиту) и гравитации планеты для изменения пути и скорости. Гравитационные маневры являются крайне полезной техникой космических полетов, особенно при использовании Земли или другой массивной планеты (вроде газового гиганта) для ускорения.
Космический аппарат Mariner 10 первым использовал этот метод, используя гравитационную тягу Венеры для разгона в сторону Меркурия в феврале 1974 года. В 1980-х зонд «Вояджер-1» использовал Сатурн и Юпитер для гравитационных маневров и разгона до 60 000 км/ч с последующим выходом в межзвездное пространство.
Миссии Helios 2, которая началась в 1976 году и должна была исследовать межпланетную среду между 0,3 а. е. и 1 а. е. от Солнца, принадлежит рекорд самой высокой скорости, развитой с помощью гравитационного маневра. На тот момент Helios 1 (запущенному в 1974 году) и Helios 2 принадлежал рекорд самого близкого подхода к Солнцу. Helios 2 был запущен обычной ракетой и выведен на сильно вытянутую орбиту.
Из-за большого эксцентриситета (0,54) 190-дневной солнечной орбиты, в перигелии Helios 2 удалось достичь максимальной скорости свыше 240 000 км/ч. Эта орбитальная скорость была развита за счет только лишь гравитационного притяжения Солнца. Технически скорость перигелия Helios 2 не была результатом гравитационного маневра, а максимальной орбитальной скоростью, но аппарат все равно удерживает рекорд самого быстрого искусственного объекта.
Если бы «Вояджер-1» двигался в направлении красного карлика Проксимы Центавра с постоянной скорость в 60 000 км/ч, ему потребовалось бы 76 000 лет (или более 2500 поколений), чтобы преодолеть это расстояние. Но если бы зонд развил рекордную скорость Helios 2 - постоянную скорость в 240 000 км/ч - ему потребовалось бы 19 000 лет (или более 600 поколений), чтобы преодолеть 4,243 светового года. Существенно лучше, хотя и близко не практично.
Другой предложенный метод межзвездных путешествий - это радиочастотный двигатель с резонансной полостью, известный также как EM Drive. У предложенного еще в 2001 году Роджером Шойером, британским ученым, который создал Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) для реализации проекта, двигателя в основе лежит идея того, что электромагнитные микроволновые полости позволяют напрямую преобразовывать электроэнергию в тягу.
Если традиционные электромагнитные двигатели предназначены для приведения в движение определенной массы (вроде ионизированных частиц), конкретно эта двигательная система не зависит от реакции массы и не испускает направленного излучения. Вообще, этот двигатель встретили с изрядной долей скепсиса во многом потому, что он нарушает закон сохранения импульса, согласно которому импульс системы остается постоянным и его нельзя создать или уничтожить, а только изменить под действием силы.
Тем не менее последние эксперименты с этой технологией очевидно привели к положительным результатам. В июле 2014 года, на 50-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в Кливленде, штат Огайо, ученые NASA, занимающиеся передовыми реактивными разработками, заявили, что успешно испытали новую конструкцию электромагнитного двигателя.
В апреле 2015 года ученые NASA Eagleworks (часть Космического центра им. Джонсона) заявили, что успешно испытали этот двигатель в вакууме, что может указывать на возможное применение в космосе. В июле того же года группа ученых из отделения космических систем Дрезденского технологического университета разработала собственную версию двигателя и наблюдала ощутимую тягу.
В 2010 году профессор Чжуан Янг из Северо-Западного политехнического университета в Сиань, Китай, начала публиковать серию статей о своих исследованиях технологии EM Drive. В 2012 году она сообщила о высокой входной мощности (2,5 кВт) и зафиксированной тяге в 720 мн. В 2014 году она также провела обширные испытания, включая замеры внутренней температуры со встроенными термопарами, которые показали, что система работает.
По расчетам на базе прототипа NASA (которому дали оценку мощности в 0,4 Н/кВт), космический аппарат на электромагнитном двигателе может осуществить поездку к Плутону менее чем за 18 месяцев. Это в шесть раз меньше, чем потребовалось зонду «Новые горизонты», который двигался на скорости 58 000 км/ч.
Звучит впечатляюще. Но даже в таком случае корабль на электромагнитных двигателях будет лететь к Проксиме Центавра 13 000 лет. Близко, но все еще недостаточно. Кроме того, пока в этой технологии не будут расставлены все точки над ё, рано говорить о ее использовании.
Еще одна возможность осуществить межзвездный перелет - использовать космический аппарат, оснащенный ядерными двигателями. NASA десятилетиями изучало такие варианты. В ракете на ядерном тепловом движении можно было бы использовать урановые или дейтериевые реакторы, чтобы нагревать водород в реакторе, превращая его в ионизированный газ (плазму водорода), который затем будет направляться в сопло ракеты, генерируя тягу.
Ракета с ядерным электрическим приводом включает тот же реактор, преобразующий тепло и энергию в электроэнергию, которая затем питает электродвигатель. В обоих случаях ракета будет полагаться на ядерный синтез или ядерное деление для создания тяги, а не на химическое топливо, на котором работают все современные космические агентства.
По сравнению с химическими двигателями, у ядерных есть неоспоримые преимущества. Во-первых, это практически неограниченная энергетическая плотность по сравнению с ракетным топливом. Кроме того, ядерный двигатель также будет вырабатывать мощную тягу по сравнению с используемым объемом топлива. Это позволит сократить объемы необходимого топлива, а вместе с тем вес и стоимость конкретного аппарата.
Хотя двигатели на тепловой ядерной энергии пока в космос не выходили, их прототипы создавались и испытывались, а предлагалось их еще больше.
И все же, несмотря на преимущества в экономии топлива и удельном импульсе, самая лучшая из предложенных концепций ядерного теплового двигателя имеет максимальный удельный импульс в 5000 секунд (50 кН c/кг). Используя ядерные двигатели, работающие на ядерном делении или синтезе, ученые NASA могли бы доставить космический аппарат на Марс всего за 90 дней, если Красная планета будет в 55 000 000 километрах от Земли.
Но если говорить о путешествии к Проксиме Центавра, ядерной ракете потребуются столетия, чтобы разогнаться до существенной доли скорости света. Потом потребуются несколько десятилетий пути, а за ними еще много веков торможения на пути к цели. Мы все еще в 1000 годах от пункта назначения. Что хорошо для межпланетных миссий, не так хорошо для межзвездных.
Если использовать существующие технологии, времени, чтобы отправить ученых и астронавтов в межзвездную миссию, потребуется очень и очень много. Путешествие будет мучительно долгим (даже по космическим меркам). Если мы хотим осуществить такое путешествие хотя бы за одну жизнь, ну или за поколение, нам нужны более радикальные (читай: сугубо теоретические) меры. И если червоточины и подпространственные двигатели на текущий момент являются абсолютно фантастическими, много лет существовали другие идеи, в реализацию которых мы верим.
Ядерная силовая установка - это теоретически возможный «двигатель» для быстрого космического путешествия. Концепцию первоначально предложил Станислав Улам в 1946 году, польско-американский математик, принимавший участие в Манхэттенском проекте, а предварительные расчеты сделали Ф. Райнес и Улам в 1947 году. Проект «Орион» был запущен в 1958 году и просуществовал до 1963-го.
Под руководством Теда Тейлора из General Atomics и физика Фримена Дайсона из Института перспективных исследований в Принстоне, «Орион» должен был использовать силу импульсных ядерных взрывов, чтобы обеспечить огромную тягу с очень высоким удельным импульсом.
В двух словах, проект «Орион» включает крупный космический аппарат, который набирает скорость за счет поддержки термоядерных боеголовок, выбрасывая бомбы позади и ускоряясь за счет взрывной волны, которая уходит в расположенный сзади «пушер», панель для толчка. После каждого толчка сила взрыва поглощается этой панелью и преобразуется в движение вперед.
Хотя по современным меркам эту конструкцию сложно назвать элегантной, преимущество концепции в том, что она обеспечивает высокую удельную тягу - то есть извлекает максимальное количество энергии из источника топлива (в данном случае ядерных бомб) при минимальных затратах. Кроме того, эта концепция может теоретически разгонять очень высокие скорости, по некоторым оценкам, до 5% от скорости света (5,4 × 107 км/ч).
Конечно, у этого проекта имеются неизбежные минусы. С одной стороны, корабль такого размера будет крайне дорого строить. По оценкам, которые сделал Дайсон в 1968 году, космический аппарат «Орион» на водородных бомбах весил бы от 400 000 до 4 000 000 метрических тонн. И по крайней мере три четверти этого веса будут приходиться на ядерные бомбы, каждая из которых весит примерно одну тонну.
Скромные подсчеты Дайсона показали, что общая стоимость строительства «Ориона» составила бы 367 миллиардов долларов. С поправкой на инфляцию, эта сумма выливается в 2,5 триллиона долларов, это довольно много. Даже при самых скромных оценкам, аппарат будет крайне дорогим в производстве.
Есть еще небольшая проблема радиации, которую он будет излучать, не говоря уж о ядерных отходах. Считается, что именно по этой причине проект был свернут в рамках договора о частичном запрете испытаний от 1963 года, когда мировые правительства стремились ограничить ядерные испытания и остановить чрезмерный выброс радиоактивных осадков в атмосферу планеты.
Другая возможность использования ядерной энергии заключается в термоядерных реакциях для получения тяги. В рамках этой концепции, энергия должна создаваться во время воспламенения гранул смеси дейтерия и гелия-3 в реакционной камере инерционным удержанием с использованием электронных лучей (подобно тому, что делают в Национальном комплексе зажигания в Калифорнии). Такой термоядерный реактор взрывал бы 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму, которая затем перенаправлялась бы в сопло, создавая тягу.
Подобно ракете, которая полагается на ядерный реактор, эта концепция обладает преимуществами с точки зрения эффективности топлива и удельного импульса. По оценке, скорость должна достигать 10 600 км/ч, что намного превышает пределы скорости обычных ракет. Более того, эта технология активно изучалась в течение последних нескольких десятилетий, и было сделано много предложений.
Например, между 1973 и 1978 годами Британское межпланетное общество провело исследование возможности проекта «Дедал». Опираясь на современные знания и технологии термоядерного синтеза, ученые призвали к строительству двухступенчатого беспилотного научного зонда, который смог бы добраться до звезды Барнарда (5,9 светового года от Земли) за срок человеческой жизни.
Первая ступень, крупнейшая из двух, работала бы в течение 2,05 года и разогнать аппарат до 7,1% скорости света. Затем эта ступень отбрасывается, зажигается вторая, и аппарат разгоняется до 12% скорости света за 1,8 года. Потом двигатель второй ступени отключается, и корабль летит в течение 46 лет.
По оценкам проекта «Дедал», миссии потребовалось бы 50 лет, чтобы достичь звезды Барнарда. Если к Проксиме Центавра, то же судно доберется за 36 лет. Но, конечно, проект включает массу нерешенных вопросов, в частности неразрешимых с использованием современных технологий - и большинство из них до сих пор не решены.
К примеру, на Земле практически нет гелия-3, а значит, его придется добывать в другом месте (вероятнее всего, на Луне). Во-вторых, реакция, которая движет аппарат, требует, чтобы испускаемая энергия значительно превышала энергию, затраченную на запуск реакции. И хотя эксперименты на Земле уже превзошли «точку безубыточности», мы еще далеки от тех объемов энергии, что смогут питать межзвездный аппарат.
В-третьих, остается вопрос стоимости такого судна. Даже по скромным стандартам беспилотного аппарата проекта «Дедал», полностью оборудованный аппарат будет весить 60 000 тонн. Чтобы вы понимали, вес брутто NASA SLS чуть выше 30 метрических тонн, и один только запуск обойдется в 5 миллиардов долларов (по оценкам 2013 года).
Короче говоря, ракету на ядерном синтезе будет не только слишком дорого строить, но и потребуется уровень термоядерного реактора, намного превышающий наши возможности. Icarus Interstellar, международная организация гражданских ученых (некоторые из которых работали в NASA или ЕКА), пытается оживить концепцию с проектом «Икар». Собранная в 2009 году группа надеется сделать движение на синтезе (и другое) возможным в обозримом будущем.
Известный также как ПВРД Буссарда, двигатель впервые предложил физик Роберт Буссард в 1960 году. По своей сути, это улучшение стандартной термоядерной ракеты, которая использует магнитные поля для сжатия водородного топлива до точки запуска синтеза. Но в случае ПВРД, огромная электромагнитная воронка всасывает водород из межзвездной среды и сливает в реактор как топливо.
По мере того как аппарат набирает скорость, реактивная масса попадает в ограничивающее магнитное поле, которое сжимает ее до начала термоядерного синтеза. Затем магнитное поле направляет энергию в сопло ракеты, ускоряя судно. Поскольку никакие топливные баки не будут его замедлять, термоядерный ПВРД может развить скорость порядка 4% световой и отправиться куда угодно в галактику.
Тем не менее у этой миссии есть масса возможных недостатков. К примеру, проблема трения. Космический аппарат полагается на высокую скорость сбора топлива, но вместе с тем будет сталкиваться с большим количеством межзвездного водорода и терять скорость - особенно в плотных регионах галактики. Во-вторых, дейтерия и трития (которые используются в реакторах на Земле) в космосе немного, а синтез обычного водорода, которого много в космосе, пока нам неподвластен.
Впрочем, научная фантастика полюбила эту концепцию. Самым известным примером является, пожалуй, франшиза «Звездный путь», где используются «коллекторы Буссарда». В реальности же наше понимание реакторов синтеза далеко не так прекрасно, как хотелось бы.
Солнечные паруса давно считаются эффективным способом покорения Солнечной системы. Помимо того, что они относительно просты и дешевы в изготовлении, у них большой плюс: им не нужно топливо. Вместо использования ракет, нуждающихся в топливе, парус использует давление радиации звезд, чтобы разгонять сверхтонкие зеркала до высоких скоростей.
Тем не менее, в случае межзвездного перелета, такой парус придется подталкивать сфокусированными лучами энергии (лазером или микроволнами), чтобы разгонять до скорости, близкой к световой. Концепцию впервые предложил Роберт Форвард в 1984 году, физик лаборатории Hughes Aircraft.
Его идея сохраняет преимущества солнечного паруса в том, что не требует топлива на борту, а также и в том, что лазерная энергия не рассеивается на расстоянии так же, как и солнечная радиация. Таким образом, хотя лазерному парусу потребуется некоторое время, чтобы разогнаться до околосветовой скорости, он впоследствии будет ограничен только скоростью самого света.
По данным исследования Роберта Фрисби в 2000 году, директора по исследованиям передовых двигательных концепций в Лаборатории реактивного движения NASA, лазерный парус разгонится до половины световой скорости меньше чем за десять лет. Он также рассчитал, что парус диаметром 320 километров мог бы добраться до Проксимы Центавра за 12 лет. Между тем, парус 965 километров в диаметре прибудет на место всего через 9 лет.
Однако строить такой парус придется из передовых композитных материалов, чтобы избежать плавления. Что будет особенно сложно, учитывая размеры паруса. Еще хуже обстоит дело с расходами. По мнению Фрисби, лазерам потребуется стабильный поток в 17 000 тераватт энергии - примерно столько весь мир потребляет за один день.
Любители научной фантастики хорошо знают, что такое антиматерия. Но если вы забыли, антиматерия - это вещество, состоящее из частиц, которые имеют такую же массу, как и обычные частицы, но противоположный заряд. Двигатель на антиматерии - это гипотетический двигатель, в основе которого лежат взаимодействия между материей и антиматерией для генерации энергии, или создания тяги.
Короче говоря, двигатель на антиматерии использует сталкивающиеся между собой частицы водорода и антиводорода. Испущенная в процессе аннигиляции энергия сравнима по объемам с энергией взрыва термоядерной бомбы в сопровождении потока субатомных частиц - пионов и мюонов. Эти частицы, которые движутся со скоростью одной третьей от скорости света, перенаправляются в магнитное сопло и вырабатывают тягу.
Преимущество такого класса ракет в том, что большую часть массы смеси материи/антиматерии можно преобразовать в энергию, что обеспечивает высокую плотность энергии и удельный импульс, превосходящий любую другую ракету. Более того, реакция аннигиляции может разогнать ракету до половины скорости света.
Такой класс ракет будет самым быстрым и самым энергоэффективным из возможных (или невозможных, но предлагаемых). Если обычные химические ракеты требуют тонны топлива, чтобы продвигать космический корабль к месту назначения, двигатель на антиматерии будет делать ту же работу за счет нескольких миллиграммов топлива. Взаимное уничтожение полукилограмма частиц водорода и антиводорода высвобождает больше энергии, чем 10-мегатонная водородная бомба.
Именно по этой причине Институт перспективных концепций NASA исследует эту технологию как возможную для будущих миссий на Марс. К сожалению, если рассматривать миссии к ближайшим звездным системам, сумма необходимого топлива растет в геометрической прогрессии, и расходы становятся астрономическими (и это не каламбур).
Согласно отчету, подготовленному к 39-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference и Exhibit, двухступенчатая ракета на антивеществе потребует больше 815 000 метрических тонн топлива, чтобы добраться до Проксимы Центавра за 40 лет. Это относительно быстро. Но цена…
Хотя один грамм антивещества производит невероятное количество энергии, производство одного только грамма потребует 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и выльется в триллион долларов. В настоящее время общее количество антивещества, которое было создано людьми, составляет меньше 20 нанограммов.
И даже если бы мы могли задешево производить антиматерию, нам потребовался бы массивный корабль, который смог бы удерживать необходимое количество топлива. Согласно докладу доктора Даррела Смита и Джонатана Вебби из Авиационного университета Эмбри-Риддл в штате Аризона, межзвездный корабль с двигателем на антивеществе мог бы набрать скорость в 0,5 световой и достичь Проксимы Центавра чуть больше чем за 8 лет. Тем не менее сам корабль весил бы 400 тонн и потребовал бы 170 тонн топлива из антивещества.
Возможный способ обойти это - создать судно, которое будет создавать антивещество с последующим его использованием в качестве топлива. Эта концепция, известная как Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), была предложена Ричардом Обаузи из Icarus Interstellar. Опираясь на идею переработки на месте, корабль VARIES должен использовать крупные лазеры (запитанные огромными солнечными батареями), создающие частицы антивещества при выстреле в пустой космос.
Подобно концепции с термоядерным ПВРД, это предложение решает проблему перевозки топлива за счет его добычи прямо из космоса. Но опять же, стоимость такого корабля будет чрезвычайно высокой, если строить его нашими современными методами. Мы просто не в силах создавать антивещество в огромных масштабах. А еще нужно решить проблему с радиацией, поскольку аннигиляция материи и антиматерии производит вспышки высокоэнергетических гамма-лучей.
Они не только представляют опасность для экипажа, но и для двигателя, чтобы те не развалились на субатомные частицы под воздействием всей этой радиации. Короче говоря, двигатель на антивеществе совершенно непрактичен с учетом наших современных технологий.
Любители научной фантастики, без сомнения, знакомы с концепцией варп-двигателя (или двигателя Алькубьерре). Предложенная мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, эта идея была попыткой вообразить мгновенное перемещение в пространстве без нарушения специальной теории относительности Эйнштейна. Если коротко, эта концепция включает растяжение ткани пространства-времени в волну, которая теоретически приведет к тому, что пространство перед объектом будет сжиматься, а позади - расширяться.
Объект внутри этой волны (наш корабль) сможет ехать на этой волне, будучи в «варп-пузыре», со скоростью намного превышающей релятивистскую. Поскольку корабль не движется в самом пузыре, а переносится им, законы относительности и пространства-времени нарушаться не будут. По сути, этот метод не включает движение быстрее скорости света в локальном смысле.
«Быстрее света» он только в том смысле, что корабль может достичь пункта назначения быстрее луча света, путешествующий за пределами варп-пузыря. Если предположить, что космический аппарат будет оснащен системой Алькубьерре, он доберется до Проксимы Центавра меньше чем за 4 года. Поэтому, если говорить о теоретическом межзвездном космическом путешествии, это, безусловно, наиболее перспективная технология в плане скорости.
Разумеется, вся эта концепция чрезвычайно спорная. Среди аргументов против, например, то, что она не принимает во внимание квантовую механику и может быть опровергнута теорией всего (вроде петлевой квантовой гравитации). Расчеты необходимого объема энергии также показали, что варп-двигатель будет непомерно прожорлив. Другие неопределенности включают безопасность такой системы, эффекты пространства-времени в пункте назначения и нарушения причинности.
Тем не менее в 2012 году ученый NASA Гарольд Уайт заявил, что вместе с коллегами начал исследовать возможность создания двигателя Алькубьерре. Уайт заявил, что они построили интерферометр, который будет улавливать пространственные искажения, произведенные расширением и сжатием пространства-времени метрики Алькубьерре.
В 2013 году Лаборатория реактивного движения опубликовала результаты испытаний варп-поля, которые проводились в условиях вакуума. К сожалению, результаты сочли «неубедительными». В долгосрочной перспективе мы можем выяснить, что метрика Алькубьерре нарушает один или несколько фундаментальных законов природы. И даже если его физика окажется верной, нет никаких гарантий, что систему Алькубьерре можно использовать для полетов.
В общем, все как обычно: вы родились слишком рано для путешествия к ближайшей звезде. Тем не менее, если человечество почувствует необходимость построить «межзвездный ковчег», который будет вмещать самоподдерживающееся человеческое общество, добраться до Проксимы Центавра удастся лет за сто. Если мы, конечно, захотим инвестировать в такое мероприятие.
Что касается времени, все доступные методы кажутся крайне ограниченными. И если потратить сотни тысяч лет на путешествие к ближайшей звезде может нас мало интересовать, когда наше собственное выживание стоит на кону, по мере развития космических технологий, методы будут оставаться чрезвычайно непрактичным. К моменту, когда наш ковчег доберется до ближайшей звезды, его технологии станут устаревшими, а самого человечества может уже не существовать.
Так что если мы не осуществим крупный прорыв в сфере синтеза, антиматерии или лазерных технологий, мы будем довольствоваться изучением нашей собственной Солнечной системы.
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ КОСМОСА. ВСЕЛЕННАЯ И ЕЁ УСТРОЙСТВОЗВЕЗДЫ - ЭТО ТОЖЕ СОЛНЦА
Первым человеком, который понял, что все звезды - это тоже солнца, был итальянский ученый Джордано Бруно. Если бы можно было покинуть Солнечную систему и приблизиться к звездам, то мы бы убедились, что они представляют собой самосветящиеся газовые шары. Есть среди них сходные с Солнцем и размерами, и температурой поверхности, и цветом, зависящим от температуры. Но есть звезды, которые отличаются от Солнца - гиганты и сверхгиганты; или звезды, которые по размерам уступают не только Земле, но и Луне - карлики. У нашего Солнца, рядовой звезды, есть планетная система. Является ли оно исключительной звездой, или у других звезд тоже есть свои системы планет? Таких звезд, как наше Солнце, очень много, поэтому, возможно, и многие другие звезды обладают своими семействами планет. К сожалению, даже в самые большие телескопы невозможно рассмотреть планетные системы у самых близких звезд. Обнаружить другие планетные системы пока не удается и с помощью радиолокаторов. Открытие других планетных систем помогло бы лучше понять не только, как произошла наша Солнечная система, но и как возникла и развивалась в ней жизнь, поэтому ученые не прекращают свои исследования.
ДАЛЕКО ЛИ ДО ЗВЕЗД?
При наблюдении за какой-нибудь звездой с двух противоположных точек земного шара практически невозможно заметить различия в направлениях на звезду. Звезды находятся от Земли во много раз дальше, чем Луна, планеты, Солнце. Определить расстояние до ближайшей к нам звезды удалось русскому ученому В.Я.Струве. Это было более ста лет назад. Для этого ему пришлось наблюдать ее не с концов земного диаметра, а с концов прямой линии, которая в 23600 раз длиннее. Где же он мог взять такую прямую линию, которая на земном шаре не может уместиться? Оказывается, эта линия существует в природе. Это диаметр земной орбиты. За полгода земной шар перенесет нас на другую сторону от Солнца. Зная диаметр земной орбиты (а он вдвое больше среднего расстояния до Солнца), измерив углы, под которыми наблюдается звезда, можно вычислить расстояние до нее.
Самые близкие к нам звезды - Проксима Центавра и Альфа Центавра - находятся в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Лучу света от этих звезд приходится лететь до Земли 4,5 года.
Расстояния до звезд огромны и измерять их километрами неудобно. Получается слишком большое число километров. И ученые ввели более крупную единицу измерения: световой год. Это такое расстояние, которое свет проходит в течение одного года.
Во сколько раз эта единица измерения больше, чем километр? 300000 км/с надо умножить на число секунд в году. Получим приблизительно 10 триллионов километров. Значит, один световой год больше одного километра в 10 триллионов раз (10 000 000 000 000).
Звезды могут находиться от нас на расстояниях, равных десяткам, сотням, тысячам световых лет и более.
МОЖНО ЛИ ДОЛЕТЕТЬ ДО ЗВЕЗД?
До Плутона - самой дальней планеты Солнечной системы космический аппарат летит немногим больше десяти лет. А можно ли долететь до Большой Медведицы или Кассиопеи? Долететь до созвездий невозможно. Каждое созвездие - это тот участок неба, который виден с Земли. Из-за очень большого расстояния нам кажется, что звезды расположены рядом. На самом деле звезды, входящие в одно созвездие, находятся на разных расстояниях от Земли. Эти расстояния огромны, и поэтому звезды при приближении к ним будут расступаться, как деревья в лесу. А если вы захотите долететь до звезды? Теоретически это возможно. Но с какой же скоростью надо двигаться и сколько лет добираться, например, до Сириуса? Если со скоростью света (300 000 км/с, самой большой скоростью в природе), то потребуется почти девять лет. А до Веги - 27. А до Полярной звезды расстояние пятьсот световых лет, т.е. луч света от Полярной звезды к Земле летит 500 лет. Это значит, что если эта звезда потухнет, то на Земле узнают об этом через 500 лет, а сейчас мы видим ее такой, какой она была 500 лет назад.
В настоящее время не придумали еще таких летательных аппаратов, которые смогли бы мчаться со световой скоростью или близкой к ней. Если придумать способ двигаться со скоростью света, то полет к звездам будет возможен.
ПОЧЕМУ ЗВЕЗДЫ СВЕТЯТ ПО-РАЗНОМУ?
Долгое время думали, что звезды светят по-разному потому, что расположены от нае на разных расстояниях и чем больше расстояние до звезды, тем меньше ее яркость. Однако выяснилось, что даясе если бы звезды находились на равных расстояниях от Земли, то имели бы различный видимый блеск. Видимый блеск звезды зависит не только от расстояния, но и от температуры звезды, размеров ее поверхности. Астрономы сравнивают звезды, используя специальную единицу измерения - абсолютную звездную величину. Она позволяет вычислить истинное излучение звезды. Например, чтобы сравнить светимость двух разных источников света, их надо поместить на одинаковом расстоянии от точки наблюдения, с помощью прибора (фотометра) измерить величину их излучения и затем сравнить. Наше Солнце - самая яркая звезда на небе, так как это ближайшая к нам звезда. Видимый блеск Солнца превосходит блеск любой звезды. Но если бы Солнце и другие звезды поместить на стандартное расстояние, то оказалось бы, что Солнце далеко не самая яркая звезда. В астрономии всегда необходимо отличать видимое, кажущееся от действительного, истинного. Расчеты показывают, что, например, Солнце по видимому блеску превосходит Полярную звезду в 370 000 000 000 раз, но действительная светимость звезды больше солнечной в 4570 раз, т.е. если бы Полярная и Солнце находились от Земли на одинаковом расстоянии, то Полярная светила бы ярче Солнца в 4570 раз. Светимость звезд зависит от их размеров и температуры.
КАКАЯ ЗВЕЗДА САМАЯ ЯРКАЯ?
Всего на небе находится 20 наиболее ярких звезд. Несколько особенно ярких звезд по своему блеску превышают блеск звезд 1-й звездной величины. Для этих звезд пришлось ввести отрицательные звездные величины. Для точного обозначения яркости звезд приходится прибегать к дробям. Самая яркая звезда северного полушария неба - Бега - имеет блеск 0,1 звездной величины, а самая яркая звезда всего неба - Сириус - имеет блеск минус 1,3 звездной величины.
Для всех звезд, видимых невооруженным глазом, и для многих более слабых точно измерена их звездная величина, Сириус более чем в 1000 раз ярче любой самой слабой звезды, которую можно наблюдать на небе.
В обычный театральный бинокль хорошо видны звезды до 7-й звездной величины, в призменный полевой бинокль - до 9-й звездной величины, в телескоп же видны и более слабые звезды. В современные телескопы можно наблюдать звезды до 18-й звездной величины. На фотографиях, снятых с помощью крупнейших телескопов, можно увидеть звезды до 23-й звездной величины. Они в 6 000 000 раз слабее по блеску самых слабосветящихся звезд, которые мы видим невооруженным глазом.
И если невооруженному глазу доступно всего лишь 3000 видимых над горизонтом звезд, то в самые мощные современные телескопы можно наблюдать миллиарды звезд.
ОДИНАКОВЫЕ ЛИ ПУТИ СОВЕРШАЮТ ЗВЕЗДЫ ПО НЕБУ?
Наблюдая за движением звезд, мы заметим, что звезды в восточной, части неба, т.е. слева от небесного меридиана, поднимаются над горизонтом. Пройдя через небесный меридиан и попав в западную часть неба, они начинают опускаться к горизонту. Значит, когда они проходили через небесный меридиан, то в этот момент достигли своей наибольшей высоты над горизонтом. Астрономы называют наивысшее положение над горизонтом верхней кульминацией данной звезды. Самое низкое положение над горизонтом называется нижней кульминацией. Астрономы поделили все звезды по виду их небесных движений на три группы.
1. Звезды незаходящие. Они, двигаясь вокруг полюса, никогда не заходят за горизонт, т.е.видны всю ночь, и в течение всего года у них можно наблюдать верхнюю и нижнюю кульминации.
2. Звезды восходящие и заходящие, у них видна только верхняя кульминация.
3. Звезды невосходящие, невидимые, все время находящиеся за горизонтом.
Если путешествовать по Земному шару вдоль меридиана, то можно заметить, как меняются суточные пути звезд на небесной сфере. Допустим, мы находимся на Северном полюсе. Все звезды северного полушария будут описывать круги по небу вокруг полюса мира и будут незаходя-щими в течение всей долгой (в полгода) полярной ночи. А теперь будем двигаться на юг. В умеренных широтах часть звезд не заходит за горизонт - это звезды, принадлежащие группе околополярных созвездий, другая часть звезд восходит и заходит. А если мы попадем на экватор, то там все звезды восходят и заходят перпендикулярно плоскости горизонта. Каждая звезда проходит над горизонтом ровно половину своего пути. Ось мира расположена в плоскости горизонта. Наблюдатели на экваторе при условии хорошей видимости в принципе могли бы видеть все звезды, если бы ночь длилась все 24 часа и не восходило бы Солнце.
ПОЧЕМУ МЕНЯЕТСЯ ВИД ЗВЕЗДНОГО НЕБА В ТЕЧЕНИЕ ГОДА?
В разные времена года по вечерам можно наблюдать разные созвездия. Отчего это происходит?
Солнце, как показывают наблюдения, не только движется вместе со всеми звездами в течение суток, восходя на востоке и заходя на западе, но еще и медленно перемещается среди звезд в обратном направлении, т.е. с запада на восток, переходя из созвездия в созвездие. То созвездие, в котором в данный момент находится Солнце, мы наблюдать не можем, так как оно восходит вместе с Солнцем и движется по небу днем, т.е. тогда, когда звезды не видны. Солнце своими лучами "гасит" звезды не только того созвездия, где оно находится, но и все другие. Поэтому наблюдать их нельзя. Путь, по которому Солнце перемещается среди звезд в течение года, называется эклиптикой. Он проходит по двенадцати так называемым зодиакальным созвездиям, в каждом из которых Солнце ежегодно бывает приблизительно по одному месяцу.
Годичное движение Солнца среди звезд - кажущееся. На самом деле движется сам наблюдатель вместе с Землей вокруг Солнца, поэтому и кажется, что Солнце переходит из одного созвездия в другое. И если мы будем в течение года по вечерам наблюдать звезды, то обнаружим, что вид звездного неба постепенно изменяется. Мы сможем познакомиться с созвездиями, видимыми в различное время года.
Альфа Центавра - ближайшая к Земле звездная система, находящаяся на расстоянии 4,36 световых года, или более 40 триллионов километров. Это так далеко, что, даже если звездолет сможет развить скорость света (что уже более чем затруднительно), лететь до дочки назначения ему придется больше четырех лет. По расчетам авторов проекта, их космические зонды смогут развить скорость в 161 млн км/ч и достигнут звезды примерно за 10 лет. Сотни и тысячи крошечных аппаратов будут разгоняться лазерными лучами.
Как показали данные наблюдений телескопа Hubble, вокруг звезды Альфа Центавра B может вращаться планета размером примерно с Землю, которая и является главной целью миссии. Есть предположения, что планета находится в самом центре обитаемой зоны звезды и имеет период обращения от 80 до 136 дней.
Проект финансирует российский предприниматель Юрий Мильнер, - он предоставит сумму в размере 100 млн долларов. Сумма действительно астрономическая, хотя для проекта такого масшата это немного. Для сравнения миссия Марсианской научной лаборатории Curiosity обошлась в 2,5 млрд долларов, а запуск аппарата «Розетта» и зонда «Филы» к комете Чурюмова-Герасименко стоил около 1,4 млрд евро.
Александр Родин
заместитель руководителя лаборатории инфракрасной спектроскопии планетных атмосфер высокого разрешения МФТИ, заместитель декана факультета проблем физики и энергетики МФТИ
Сравнительные характеристики Солнца и звезд системы Альфа Центавра
Владимир Сурдин
Старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К.Штернберга, доцент физического факультета МГУ
«Идея межзвездных микрозондов, запускаемых к интересным звездам и экзопланетным системам, давно обсуждается. Создать их вполне по силам современной технике. Не решенные пока проблемы - цели и методы запуска.
Метод запуска, предложенный в Breakthrough Starshot, - световой парус, воспринимающий давление лазерного луча, - пока неосуществим, поскольку нет ни гигаваттных лазеров непрерывного действия, ни материалов для изготовления паруса и зонда, способных выдержать гигантские потоки излучения. Оценки относительно мощности лазера и длительности разгона зондов вполне верные, но я сомневаюсь, что за разумное время удастся воплотить эти требования в жизнь.
Для целей противоракетной обороны пытались создать подобные, но менее мощные лазеры, однако сделать это не удалось, несмотря на большие затраты. Такие лазеры нужны не только военным, но и для термоядерной энергетики и борьбы с опасными астероидами. Но как метод запуска межзвездных зондов лазерное ускорение мне кажется неперспективным.
Возможности нанозонда, проносящегося мимо планеты со скоростью около 100 тыс. км/с, детально исследовать эту планету тоже сомнительны. О том, как передать собранные данные на Землю, в проекте Мильнера сказано весьма туманно, поэтому обсуждать пока нечего.
Эффективность проекта по параметру «ожидаемый результат/затраты» мне кажется очень низкой. Если вложить те же средства в строительство наземных и космических телескопов, то результат в изучении землеподобных планет будет получен быстрее.
Обычно ученые стараются экономно использовать свои небольшие средства, т. е. деньги налогоплательщиков, как правило, рассчитывая на гарантированный результат. Но если богатый романтик, каким демонстрирует себя Юрий Мильнер, хочет осуществить прорыв, то зачем ему мешать? Он собрал очень авторитетную команду, он тратит свои деньги. Этому проекту можно лишь пожелать успеха, хотя бы частичного. И по мере сил и знаний помогать ему».
Художественное изображение видов с гипотетической планеты, вращающейся вокруг Альфы Центавра B
© Planetarium Göttingen
«На техническую реализацию проекта разработчики отводят не менее 20 лет и вкладывают достаточно серьезные для начального этапа средства. Этот же проект годом ранее поддержало NASA, выделив грант в размере $100 тыс. Современная цивилизация уже развивается в тех направлениях, на которые полагаются авторы проекта. Например, развитие фотоники и нанотехнологий позволяет предположить, что через 10–20 лет можно будет создать полноценный космический аппарат размером с почтовую марку. Сейчас требуется инвестировать в нужные разработки, чтобы получить долгосрочный результат. Причем, создав такой космический аппарат для полета к звездам, можно существенно изменить и рынок околоземных спутников, т. е. перспективная фантастическая разработка окажет влияние и на околоземную прикладную отрасль.
Самым слабым и одновременно самым сильным местом всей затеи является достаточно мощная лазерная пушка. Создать ее на Земле - это чисто инженерная задача, которая упирается только в финансирование. Если же потребуется повысить ее эффективность, то нужно выносить лазер в космос, и тут помимо экономических и технических вопросов возникает еще вопрос гуманитарный - кто будет эту пушку контролировать? В свободное от запуска межзвездных почтовых марок время эта пушка может испарять космический мусор, отклонять летящие к Земле астероиды, передавать энергию на земные электростанции, но может с тем же успехом поджаривать руководителей неугодных режимов или танковые колонны неугодных стран. Готово ли человечество выдать такую силу в одни руки? Этот вопрос сложнее, чем споры о том, сколько спутников поместится на острие иглы».
Александр Родин
: «Самое интересное - не в области физики или инженерии, а в управлении массовым сознанием. Во всеуслышание заявляется недостижимая цель, назначается срок выполнения, не предполагающий какой-либо ответственности, и, главное, история раскручивается в СМИ. Сумма инвестиций при этом называется весьма скромная - заявленные $100 млн в пересчете на двадцатилетний период соответствует бюджету одной крупной лаборатории. Вывод напрашивается сам собой: никто никуда лететь не собирается, а вся история придумана с какой-то иной целью».
