2017.02.24. - Hogyan lassítsunk le egy űrszondát az alfa Centaurinál?

A kérdés talán meglepő, mert először el kell juttatni a szondát a legközelebbi csillagig. De ha már a fénysebesség ötödére gyorsulva odaérkezett, akkor viszont tényleg le kell lassítani, hogy ne száguldjon el a rendszer mellett.

2016 áprilisában Jurij Milner orosz milliárdos bejelentette a BSI (Breakthrough Starshot Initiative) projektet. Ennek keretében 100 millió dollárt kíván fordítani egy olyan ultrakönnyű fotonvitorla által hajtott szonda kifejlesztésére, amely a fénysebesség ötödére gyorsulva 20 éven belül elérhetné az alfa Centauri rendszert. A sok egyéb kérdés mellett a projekt egyik lényeges megoldandó problémája a szonda lelassítása a célnál. Német kutatók most felvázolták, hogyan lehetne a feladatot elvégezni az alfa Centauri csillagainak sugárzását és gravitációs hatását kihasználva. Az eredmények szerint a kis eszköz akár a Proxima Centauri vörös törpe és Földhöz hasonló kísérője, a Proxima b felé vezető pályára is átállítható lenne.

A mozikban nemrégiben bemutatott Utazók (Passengers) című sci-fi filmben egy hatalmas űrhajó halad a fénysebesség felével a Homestead II nevű távoli bolygó felé, hogy 120 év száguldás után a fedélzetén hibernált állapotban utazó 5000 ember ott leljen új otthonra. Ma ez a moziálom még kivitelezhetetlen: jelenlegi technológiánk mellett még egy kicsiny szondának is közel 100 ezer év kellene a legközelebbi csillagok eléréséhez.

A ma még leküzdhetetlen technológia kihívások ellenére René Heller és Michael Hippke, a Max Planck Institute for Solar System Research kutatói megvizsgálták, hogy miként lehetne a tudományos eredmények szempontjából optimálisan megvalósítani a küldetést. A fénysebesség ötödével haladó szonda mindössze hat másodperc alatt tenné meg a Föld és a Hold közötti távot, így szinte egy szempillantás alatt hagyná maga mögött az alfa Centauri rendszer csillagait és bolygóit, ha nem sikerülne lelassítani.

A megoldás a szonda fotonvitorlájának átállítása a megérkezéskor úgy, hogy az alfa Centauri rendszer csillagainak sugárzása optimális módon lassíthassa az eszközt. René Heller, a hamarosan startoló PLATO exobolygó-kutató űrtávcső előkészítő munkálatain dolgozó asztrofizikus kiváló társra talált Michael Hipple IT szakember személyében, aki a számítógépes szimulációkat készítette a vizsgálathoz.

A két kutató a szimulációk során egy 100 grammnál kisebb tömegű szondával számolt, amelyet egy 100 ezer négyzetméteres, 14 focipálya területének megfelelő felületű fotonvitorla hordoz. Az alfa Centauri megközelítésekor a sugárnyomás növekedése miatt a fékezőerő is egyre növekedne, ez pedig egyre hatékonyabban lassítaná a szondát. Egyébként természetesen a Naprendszer elhagyásához szükséges gyorsítás is ugyanígy történne, csak akkor a Nap fotonjait fogná be a vitorla, és azok lendülete hajtaná a szondát egyre nagyobb sebességgel. A kicsiny űreszköz először az alfa Centauri A-t közelítené meg, mintegy négy millió kilométerre, azaz körülbelül öt csillagsugárnyira, 13800 km/s maximális sebességgel, ami a fénysebesség 4,6 százaléka. Ennél nagyobb sebesség esetén a szonda egyszerűen túlrepülne a rendszeren.

A megközelítés során a kis szondára nem csak a csillag lassító sugárzása hatna, hanem annak gravitációs tere is. Ezt a szonda mozgásirányának megváltoztatására használnák. Ilyen, ún. hinta- vagy parittyamanővereket a Naprendszerben is rendszeresen hajtanak végre az űrszondák. Hippke szerint a küldetési forgatókönyvüknek megfelelően az űreszköz 100 évnél valamivel rövidebb idő alatt érne célba, ami körülbelül kétszer olyan hosszú, mint amióta a Voyager űrszondák repülnek. Ez utóbbiak pedig az 1970-es évekbeli indításuk óta még mindig működnek, így jó esély van arra, hogy a mai technológiával épített eszköz is működőképes lesz egy évszázad múlva, a tervezett megérkezéskor.

Elméletileg tehát a Heller és Hippke által elképzelt, fotonvitorla által hajtott autonóm eszköz pályára állhat az alfa Centauri A körül, és talán felderítheti annak bolygóit is. A két kutató azonban még ennél is nagyobbat gondolt. Az alfa Centauri egy hármas csillagrendszer: az A és a B komponens viszonylag szoros kettőst alkot, még a harmadik csillag, a Proxima Centauri körülöttük kering, nagyjából 0,22 fényév távolságban, ami majdnem 13 ezerszer nagyobb, mint a Nap és a Föld közötti távolság. A tervek szerint a fotonvitorla beállítható úgy, hogy az A csillagtól származó sugárnyomás fékezze és a B komponens irányába terelje a szondát, ahova mindössze néhány nap elteltével meg is érkezhet. Itt egy újabb lassítás után a Proxima felé katapultálható, ahova további 46 év múltán érkezne meg, körülbelül 140 évvel a földi start után.

A Breakthrough Starshot Initiative célja, hogy egy óriási, négyszögletű fotonvitorlával hajtott kicsiny űrszondát juttasson el az alfa Centauri rendszerbe, ahol az elrepülne a Földhöz hasonló Proxima Centauri b bolygó mellett is. A fantáziarajzon a fotonvitorla négy sarkából kilépő vörös színű sugarak a Földre üzenetet továbbító lézernyalábok.
[Planetary Habitability Laboratory, University of Puerto Rico at Arecibo]

A Proxima Centauri legutóbb 2016 augusztusában került az újságok címlapjára és az elektronikus médiumok vezető hírei közé, amikor az ESO (European Southern Observatory) bejelentette, hogy a távcsöveivel egy nagyjából földtömegű bolygót fedeztek fel körülötte, mégpedig a csillag ún. lakhatósági zónájában, azaz abban a térrészben, ahol egy kőzetbolygó felszínén az általunk ismert és elképzelt létformák számára annyira fontos víz sokáig folyékony halmazállapotban maradhat.

Heller szerint ez a felfedezés azonnal arra késztette őket, hogy elgondolkodjanak, miként lehetne egy nagy sebességű csillagközi fotonvitorlást a Proxima Centaurinál és a bolygójánál megállítani. A kutató és kollégája azt javasolja, hogy a BSI projektben váltsanak stratégiát: a nagy energiaigényű lézer helyett a Nap sugárnyomásával gyorsíthatnának fel egy nanoszondát akkora sebességre, hogy elhagyja a Naprendszert és belátható időn belül elérje a legközelebbi csillagot. Heller szerint a fotonvitorlás szondának öt napsugáron belül kellene megközelíteni csillagunkat, hogy annak sugárzásából megszerezze a szükséges lendületet.

A két szakember most a kutatásukat inspiráló BSI projekt tagjaival vitatja meg a koncepciót. Heller szerint elképzelésüknek hatalmas tudományos hozadéka lehet, de az csak unokáink unokáit gazdagíthatja. Ezzel szemben a Starshot eredeti terve évtizedes időskálán gondolkodik, és egy generáción belül valósággá válhat.

Bár az új forgatókönyv matematikai vizsgálatokon és számítógépes szimulációkon alapul, a hardver, a fotonvitorla már ma is laboratóriumi fejlesztés alatt áll. Grafénből készülhetne, azaz tulajdonképpen egy nagyon vékony, nagyon könnyű és nagyon erős szénfilm lenne, nagy fényvisszaverő-képességű bevonata pedig éppen úgy jól tűrné a mélyűr kíméletlen viszonyait, mint a célcsillag megközelítéskor egyre növekvő hősugárzását.

Mérete miatt a szonda optikai és elektronikai rendszereinek szintén nagyon kicsinek kell majd lenniük. Ez valószínűleg nem lesz gond, hiszen ha egy modern okostelefonból minden nélkülözhető komponenst eltávolítunk, a maradék, még működő technológia tömege csak néhány gramm lesz. Az ultrakönnyű szondának navigálni is önállóan kell majd, az adatokat pedig modulált lézernyalábokkal küldené vissza a Földre. Ehhez szintén energia szükséges, amit a csillagsugárzásból gyűjthetne össze.

A BSI rendkívül nehéz problémával kezdett el foglalkozni, amelyre egyelőre csak elméleti megoldásunk van. Heller szerint azonban az emberiség történetében számos nagyszerű vízió küzdött elsőre leküzdhetetlennek tűnő akadályokkal. Mi pedig hamarosan beléphetünk abba a korszakba, amikor ember alkotta űreszközök már nem csak elhagyhatják a Naprendszert, de eljuthatnak más csillagok közelébe is, hogy felderítsék azok bolygórendszereit.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban jelent meg.

Forrás:

• ScienceDaily 2017.02.01.