Kokia nauda iš skrydžių į kitas žvaigždes?

2016 metų pavasarį paskelbtas projektas Breakthrough Starshot, kurio tikslas – dar šiame šimtmetyje nusiųsti spiečių mažyčių zondų iki artimiausios mums žvaigždės Kentauro Proksimos. Keleto gramų masės zondai, įgreitinti lazerio spinduliais, skristų penktadaliu šviesos greičio ir gretimos žvaigždės sistemoje praleistų tik keletą dienų, bet per tą laiką galėtų surinkti daugybę duomenų ir atsiųsti juos mums į Žemę. Kol kas projektas vystomas lėtai, bet nieko kito ir negalima tikėtis – juk misija, švelniai tariant, neeilinė. Ir jos nauda tikrai bus neeilinė – vien pirmosios egzoplanetų nuotraukos iš arti ko vertos. Bet tokios misijos gali būti naudingos ne tik konkrečios egzoplanetos tyrimui – jos gali pasitarnauti ir platesniems astrofizikiniams tyrimams.

Breakthrough Starshot idėjos vizualizacija: daugybė mažyčių zondų su plačiomis šviesos burėmis, įgreitinami lazerio spinduliu iš Žemės ar jos aplinkos. Šaltinis: Breakthrough Initiatives
Breakthrough Starshot idėjos vizualizacija: daugybė mažyčių zondų su plačiomis šviesos burėmis, įgreitinami lazerio spinduliu iš Žemės ar jos aplinkos. Šaltinis: Breakthrough Initiatives

Šis tekstas – trumpas įdomios naujienos pristatymas, kurį rašau dėl dosnių Patreon rėmėjų paramos. Jei manote, kad mano tekstai verti vieno kito jūsų dolerio, mane paremti galite ir jūs.

Aptariama naujiena pristatyta dar pernai spalį Brėmene vykusioje astronautikos konferencijoje, o dabar įteikta žurnalui Acta Astronautica. Išankstinę straipsnio versiją rasite arXiv. Straipsnyje aptariama nauda, kurią gali suteikti zondas, išsiųstas labai toli nuo Žemės – greičiausiai kitos žvaigždės sistemos link, bet nebūtinai. Galimi šios misijos privalumai yra ir psichologiniai, ir moksliniai, o pastaruosius galima sudalinti į egzoplanetų tyrimų, žvaigždžių tyrimų ir platesnės astrofizikos aspektus.

Psichologinė nauda. Kiekvienas fundamentalus technologinis proveržis pakeičia ne tik mūsų supratimą apie Visatą, bet ir požiūrį į ją. Tai galioja ir astrofizikai, ir kitiems mokslams – tarkime, apie bakterijas kadaise nežinojome nieko, vėliau galvojome, kad jos mums kenkia, dabar žinome, kad kai kurios bakterijos kaip tik yra naudingos. Kosmoso tyrimai pakeitė ir mūsų požiūrį į Žemę – planetos nuotraukos, darytos iš orbitos ir iš Mėnulio, yra vienos žinomiausių nuotraukų pasaulyje, o „Mažo mėlyno taškelio“ nuotrauka iš Saturno orbitos privertė susimąstyti apie mūsų vietą kosmose, – ir į kitus dangaus kūnus. Plutonas, kuris iki New Horizons skrydžio atrodė kaip neypatingai išskirtinis Kuiperio žiedo objektas, paaiškėjo turįs įvairialypį paviršių ir netgi atmosferą.

 

„The Blue Marble“ – Žemės nuotrauka, daryta Apollo 17 misijos metu. Šaltinis: NASA/Apollo 17

Nėra jokios abejonės, kad nuotraukos, atsiųstos iš kitos žvaigždės sistemos, taip pat pakeis ir supratimą, ir bendrą požiūrį į egzoplanetas. Kol kas jos yra taškeliai duomenų diagramose, papildomi dailininkų vizualizacijomis. Pastarosios remiasi žiniomis apie Saulės sistemos planetas ir turimais egzoplanetų duomenimis, tačiau beveik neabejotinai neatskleidžia tikrosios įvairovės. Panašiai, kaip egzoplanetų aptikimai apvertė mūsų supratimą apie tai, kokios gali būti planetų sistemos, taip egzoplanetų nuotraukos apvers supratimą, kaip įvairiai egzoplanetos gali atrodyti. Čia jau nekalbant apie tai, kaip visą žmoniją paveiktų žinia apie kitur kosmose aptiktą gyvybę.

Nauda egzoplanetų tyrimams. Savaime suprantama, zondas, nuskridęs arti egzoplanetos, galėtų ją tyrinėti daug detaliau, nei teleskopas kažkur arti Žemės. Galėtume tyrinėti egzoplanetų palydovus ir žiedus, paviršiaus struktūras, jų atmosferas, galbūt net geologinio aktyvumo pėdsakus. Skirtumas tarp stebėjimų iš Žemės ir stebėjimų vietoje būtų panašus, kaip skirtumas tarp Hablu darytos Plutono nuotraukos ir New Horizons surinktų duomenų.

HR 8799 žvaigždę supančios planetos – geriausi šiandieniniai egzoplanetų vaizdai. Daugumos egzoplanetų nematome net kaip taškų, jas aptinkame tik pagal jų poveikį žvaigždėms. Šaltinis: Jason Wang et al.
HR 8799 žvaigždę supančios planetos – geriausi šiandieniniai egzoplanetų vaizdai. Daugumos egzoplanetų nematome net kaip taškų, jas aptinkame tik pagal jų poveikį žvaigždėms. Šaltinis: Jason Wang et al.

Daugybę kartų geresni duomenys reikšmingai pagerintų supratimą apie planetų formavimąsi ir evoliuciją. Saulės sistemoje nėra nei superžemių, nei karštųjų jupiterių – planetų, kurių kitur Galaktikoje apstu. Ištyrę tokią planetą iš arti, galėtume daug geriau, nei dabar, patikrinti planetų formavimosi ir struktūros modelius. Galbūt suprastume, kas nulemia, kurios planetos lieka beveik „nuogos“ – be tankios atmosferos, – o kurios prisitraukia tiek daug dujų, kad tampa milžinėmis kaip Jupiteris ar Saturnas. Išsiaiškintume, kokios būna planetų magnetosferos ir kaip jos sąveikauja su žvaigždės vėju. Ir taip toliau.

Vizitas kitoje žvaigždžių sistemoje palengvintų ir gyvybės aptikimą. Šiuo metu gyvybės ieškome pagal galimus biopėdsakus – biologinių procesų padarinius, kurie galėtų pakeisti planetos atmosferos sudėtį. Bet dauguma gyvybės kuriamų cheminių junginių gali būti suformuojami ir kitais būdais, todėl tokia paieška yra labai sudėtinga ir nepatikima. Galimybė stebėti planetą iš arti leistų stebėti jos spalvą ir spalvos pokyčius, atlikti atmosferos ir paviršiaus spektroskopinius tyrimus, galbūt netgi identifikuoti skirtumus tarp skirtingų planetos dalių. Tai leistų išsiaiškinti, kokie planetoje vykstantys procesai veikia jos atmosferą ir daug lengviau aptikti gyvybę, jei jos ten yra.

Nauda žvaigždžių tyrimams. Skrisdami pro žvaigždės sistemą, zondai galėtų tyrinėti ir pačią žvaigždę. Kol kas žvaigždes stebime nedaug detaliau, nei egzoplanetas – kaip taškelius. Pernai paskelbta pora straipsnių, kuriuose pristatomi erdviškai išskirti žvaigždžių stebėjimai, bet tos žvaigždės yra ypatingai didelės milžinės, kurių spindulys panašus į Žemės orbitos dydį. Tuo tarpu nuskridę arti kitos žvaigždės, galėtume ją stebėti kaip diską, ir tyrinėti ten matomas struktūras. Galimybė palyginti Saulę su kitomis žvaigždėmis neabejotinai praplėstų supratimą apie žvaigždėse vykstančius procesus. Žvaigždžių aktyvumas, dėmės, granulės paviršiuje, magnetinis laukas, vainiko kaitimas, žvaigždės vėjo savybės – tyrinėtinų reiškinių yra daugybė, panašiai gausu ir galimų atradimų. O šie atradimai duotų netgi tiesioginės naudos: geriau suprasdami kitas žvaigždes, geriau suprasime ir Saulę. Tada galėsime geriau prognozuoti Saulės aktyvumo pokyčius, o šie, kaip žinia, svarbūs ir Žemei, ir – ypatingai – palydovams bei erdvėlaiviams, skraidantiems už Žemės magnetosferos teikiamos apsaugos.

Vienas geriausių žvaigždės disko atvaizdų – milžinė Antaresas. Šaltinis: ESO

Detaliai ištyrę artimas žvaigždes, galėtume žymiai geriau tyrinėti ir tolimesnes. Patobulinti žvaigždžių modeliai bei pagerinta stebėjimų kalibracija leistų ir tolimas žvaigždes nagrinėti detaliau, nei dabar. Šią pažangą galima palyginti su kosminėmis kopėčiomis – tiksliau išmatavę atstumus iki artimesnių objektų, tiksliau nustatome juos ir iki tolimesnių. Panašiai ir čia – turėdami daugiau žinių apie artimas žvaigždes, šias žinias įvairiais būdais galime ekstrapoliuoti į tolimesnes sistemas.

Platesnė (astro)fizikinė nauda. Zondo kelionė suteikia ir daugiau galimybių astrofizikiniams stebėjimams, nebūtinai susijusiems su galutiniu skrydžio tikslu. Pavyzdžiui, kuo toliau nuskris zondas, tuo labiau pasikeis jo matomų žvaigždžių padėtys. Nuskridus iki Kentauro Alfos, daugumos žvaigždžių padėčių pokyčiai vis tiek nebus matomi plika akimi, bet išmatuoti juos dangaus nuotraukose tikrai įmanoma. Matavimai leistų labai tiksliai nustatyti atstumus iki žvaigždžių. Dabar tai yra daroma su Gaia kosmine observatorija, kuri skrieja aplink Saulę panašia orbita, kaip ir Žemė. Taigi Gaia matomi žvaigždžių padėčių pokyčiai kyla dėl teleskopo padėties pokyčio 300 milijonų kilometrų, arba dviejų astronominių vienetų, atstumu. Kentauro Proksimą nuo mūsų skiria 260 tūkstančių astronominių vienetų, taigi norint pasiekti atstumų matavimo tikslumą, palyginamą su Gaia, užtenka 130 tūkstančių kartų mažesnės skyros detektoriaus. Gaia žvaigždes stebi šiek tiek geresne nei 0,1 kampinės milisekundės skyra, tad mūsų hipotetiniam zondui užtektų 13 kampinių sekundžių skyros, kad galėtų užfiksuoti žvaigždžių padėčių pokyčius panašiai gerai, kaip geriausias šiandieninis teleskopas.

Atstumas iki Kentauro Proksimos logaritminėje skalėje. Šaltinis: NASA

Kitas įdomus eksperimentas, kurį galėtų atlikti tokie zondai – reliatyvumo teorijos prognozių patikrinimas. Judėdami penktadaliu šviesos greičio, zondai justų pastebimus reliatyvistinius efektus – laiko tėkmės ir erdvės iškreipimą, taip pat priekyje esančių objektų šviesio ir spektro pokyčius. Visi objektai, esantys prieš zondą, atrodytų maždaug šeštadaliu šviesesni, o jų spektras taptų mėlynesnis. Aišku, tik tuo atveju, jei reliatyvumo teorijos prognozės yra teisingos. Greičiausiai jos tokios yra, bet dar vienas patikrinimas nepakenktų. Taigi, išmatavę, kaip keičiasi zondo matomų žvaigždžių spektrai, galėtume nustatyti, ar egzistuoja kokie nukrypimai nuo reliatyvistinių prognozių didelių greičių režime.

Zondų panaudojimo galimybių neabejotinai yra ir daugiau. Kol kas jų dar nesugalvojome, bet per kelis dešimtmečius iki zondų paleidimo (pagal optimistines prognozes) turbūt bus pasiūlyta ne viena dešimtis galimų eksperimentų.

Kur visgi skristi? Dar vienas svarbus klausimas – kur tokius zondus reikėtų siųsti. Kentauro Proksima – puikus taikinys, nes ši žvaigždė yra artimiausia Saulei ir turi bent vieną planetą. Taip pat šalia yra kitos dvi žvaigždės – Kentauro Alfos dvinarė sistema. Skrydis iki tolimesnių žvaigždžių, aišku, truktų ilgiau; jei apribosime misijos trukmę, pavyzdžiui, šimtu metų, galime tikėtis pasiekti 20 šviesmečių (kiek daugiau nei 6 parsekų) atstumu nutolusias žvaigždes. Tarp jų įdomiausios yra neįprastai greitai judanti Barnardo žvaigždė, dvinaris Sirijus, Eridano Epsilon ir į Saulę labai panaši Banginio Tau.

Artimiausios Saulei žvaigždės, nutolusios per 4 parsekus ar mažiau. Šaltinis: Atlas of the Universe

Dar vienas įdomus kelionės taškas yra daug arčiau. Tiksliau, tai net ne taškas, o ištisa sfera aplink Saulę, nutolusi 550-1000 astronominių vienetų nuotoliu. Tokiu atstumu, paveikti Saulės gravitacijos, konverguoja tolimų objektų spinduliai, taigi nuskridus į priešingą pusę nuo Saulės, nei objektas, pastarąjį matytume daug ryškesnį, nors ir iškreiptą. Kentauro Proksimos vaizdas, pavyzdžiui, būtų 10 tūkstančių kartų ryškesnis, nei iš Žemės. Gali būti, kad po keleto dešimtmečių kosminius teleskopus siųsime ne į orbitą aplink Žemę ar šalia Žemės aplink Saulę, o į Saulės sistemos pakraščius.

Kol kas visi šie svarstymai yra tik spekuliacijos ir vaizduotės žaidimas. Bet netruks prabėgti tie keli dešimtmečiai, po kurių tarpžvaigždinės kelionės gali tapti realybe. Ateitis yra labai įdomi.

Laiqualasse

8 comments

    1. Visiška tiesa. Beveik neabejotinai šių zondų duomenų lauksime ne tik ketverius metus, kiek užtrunka šviesa, keliaudama iš Kentauro Proksimos iki mūsų, bet ir dar bent kelis mėnesius, jei ne metus, kol zondai po truputį maitins mus savo žiniomis. Panašiai kaip dabar New Horizons.

  1. Breakthrough Starshot tikrai netikiu šiuo projektu… Vien šitas sakinys daug ką pasako Breakthrough Starshot svers kelis gramus. Neseniai pro Marsą praskrido pirmas CubeSat tipo zondas MarCO-B tai jo svoris 13.5 kg o kokia nuotraukų kokybė… (Na tiek to pirmos Mėnulio kitos pusės nuotraukos iš Luna 3 irgi kokybe nepasižymėjo) Sudėkime fotoparatą, baterijas, orentacijos sistemą, mikroprocesorių ir kitą reikalingą įrangą į kelis gramus.
    Net jei pavyktų paleisti jį į Kentauro Proksimą. Didžiausios problemos būtų prie žvaigždės. Vien klausimai
    Orientacija. kaip surasti ir nufotografuoti planetą ( Paleidus iš žemės KA kurso jau nebegalės keisti, jei ir nufotografuotų kokia nuotraukų kokybė? Kiek pikselių? Jei greitis penktadalis šviesos greičio tai nuotraukos bus susiliejusios. Per sekundę praskries tą planetą. Kiek sugebėtų padaryti planetos nuotraukų, iš kokio atstumo? Duomenų perdavimas: Kokiu greičiu signalas iš jo bus ir kokio stiprumo. Žemėje kokios reikės ryšio antenos, kad priimtų tą signalą. pvz New Horizons turi 2.1 m ryšio antena siunčia duomenis 1000 bitų per sekundę tam prireiks net 20 mėn kad gautų visus duomenis apie kuperoidą Ultima Thule (dabar atstumas iki New Horizons 44,37 av).

    1. Labai geri klausimai ir, kiek suprantu, Starshot atstovai tikrai neneigia, kad tai yra dideli iššūkiai, bet tikisi juos įveikti. Kaip – kol kas nežinau, greitas gūglinimas techninių specifikacijų dokumento nedavė. Bet neabejoju, kad jei tokio ir nėra, tai artimiausiu metu jis pasirodys. Tada galėsime jau detaliau nagrinėti, ar įmanomi visi šie dalykai, kuriuos jūs rašote.

  2. Pabaigoje, kaip suprantu, kalbama apie gravitacinį lešį. Įdomu kodėl nedirbama šia kryptimi, aišku nugabenti teleskopą 1000 av super sudėtinga bet vis ne 4 šviesmečiai. Gal galima būtų panaudoti mažesnias planetas ar palydovus?

    1. Taip, kalbama apie gravitacinį lęšį. Bet nuskraidinti teleskopą kelių šimtų AU atstumu kol kas yra pernelyg sudėtinga užduotis. Be to, juo būtų galima efektyviai stebėti tik viena kryptimi – maždaug Saulės link. Norint stebėti kita kryptimi, reikėtų perskristi į kitą vietą tame 500 AU ar didesnio spindulio žiede.

      Mažesnės planetos ir palydovai šviesą iškreipia mažiau, taigi jų židinio nuotolis dar didesnis, o gaunamas efektas būtų dar mažesnis.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *