Questa visualizzazione mostra due buchi neri che si fondono, la cui grande velocità potrebbe fornire una spinta alla luce laser che oscilla attorno a loro.
(Immagine: © Goddard Space Flight Center della NASA)
Le astronavi future potrebbero usare i buchi neri come potenti trampolini di lancio per esplorare le stelle.
Un nuovo studio prevede di sparare raggi laser che si curvano attorno a un buco nero e ritornano con ulteriore energia per aiutare a spingere un veicolo spaziale vicino alla velocità della luce. Gli astronomi potrebbero cercare segni che le civiltà aliene stiano usando una tale "spinta alone", come lo studio lo definisce, vedendo se le coppie di buchi neri si fondono più spesso del previsto.
L'autore dello studio David Kipping, un astrofisico della Columbia University di New York, ha avuto l'idea dell'halo drive attraverso quella che chiama "la mentalità del giocatore".
"A volte, in un gioco per computer trovi un" exploit ", un hack che ti consente di fare qualcosa di sopraffatto che sarebbe altrimenti proibito dalle regole del gioco", ha detto Kipping a Space.com. "In questo caso, il gioco è il mondo fisico, e ho cercato di pensare ad exploit che avrebbero permesso a una civiltà di raggiungere il volo relativistico avanti e indietro attraverso la galassia senza l'enorme dispendio energetico che si potrebbe ingenuamente supporre".
Una sfida chiave per usare i razzi per volare nello spazio è quella il propellente che portano con sé ha massa. I viaggi lunghi richiedono molto propellente, il che rende pesanti i razzi, che a loro volta richiedono più propellente, rendendo i razzi ancora più pesanti e così via. Questo problema peggiora in modo esponenziale più grande diventa il razzo.
Invece di trasportare il propellente per la propulsione, tuttavia, i veicoli spaziali dotati di vele a specchio potrebbero fare affidamento sui laser per spingerli verso l'esterno. I $ 100 milioni Innovativa iniziativa Starshot, annunciato nel 2016, prevede di utilizzare potenti laser per spingere sciami di veicoli spaziali ad Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino al nostro, fino al 20% della velocità della luce.
I veicoli spaziali che Breakthrough Starshot mira a lanciare sono ciascuno delle dimensioni di un microchip. Al fine di accelerare le astronavi più grandi a velocità relativistiche - a una frazione significativa della velocità della luce - Kipping ha cercato l'aiuto della gravità.
I veicoli spaziali ora usano regolarmente "manovre di fionda", in cui la gravità di un corpo, come un pianeta o una luna, scaglia le navi attraverso lo spazio e ne aumenta la velocità. Nel 1963, il famoso fisico Freeman Dyson suggerì che le astronavi di qualsiasi dimensione potessero fare affidamento su manovre di fionda attorno a coppie compatte di nane bianche o stelle di neutroni per volare a velocità relativistiche. (Dyson ha avuto l'idea di ciò che è diventato noto come a Sfera Dyson, una megastruttura che incapsula una stella per catturare quanta più energia possibile per alimentare una civiltà avanzata.)
Tuttavia, una "fionda Dyson" corre il rischio di danneggiare un veicolo spaziale attraverso forze gravitazionali estreme e radiazioni pericolose da quelle coppie di stelle morte. Invece, Kipping suggerisce che la gravità potrebbe aiutare le astronavi aumentando l'energia dei raggi laser sparati ai bordi dei buchi neri.
I buchi neri possiedono campi gravitazionali così potenti che nulla può sfuggirli una volta che si avvicina abbastanza, nemmeno la luce. I loro campi gravitazionali possono anche distorcere i percorsi dei fotoni di luce che non cadono nei buchi.
Nel 1993, il fisico Mark Stuckey ha suggerito che un buco nero potrebbe, in linea di principio, agire come uno "specchio gravitazionale", in quanto la gravità del buco nero potrebbe lanciare un fotone intorno in modo che volasse indietro alla sua fonte. Kipping calcolò che se un buco nero si stesse muovendo verso la fonte di un fotone, il "fotone boomerang" avrebbe assorbito parte dell'energia del buco nero.
Usando quella che chiamava "aureola" - chiamata per l'anello di luce che avrebbe creato attorno a un buco nero - Kipping scoprì che anche le astronavi con la massa di Giove potevano raggiungere velocità relativistiche. "Una civiltà potrebbe sfruttare i buchi neri come waypoint galattici", ha scritto in uno studio accettato dal Journal of British Interplanetary Society e dettagliato online il 28 febbraio nel server di prestampa arXiv.
Più veloce si muove un buco nero, maggiore è l'energia che un disco halo potrebbe trarne. Come tale, Kipping si concentrava in gran parte sull'uso di coppie di buchi neri che si snodavano l'una verso l'altra prima di una fusione.
Gli astronomi potrebbero cercare segni che civiltà aliene stanno sfruttando coppie di buchi neri per viaggiare con un tale motore. Ad esempio, le unità dell'alone ruberebbero effettivamente energia da tale sistemi binari di buco nero, aumentando le velocità con cui le coppie di buchi neri si fondono al di sopra di ciò che ci si aspetterebbe di vedere naturalmente, ha detto Kipping.
Le sue scoperte si basavano su potenziamenti provenienti da coppie di buchi neri in orbita l'uno attorno all'altro a velocità relativistiche. Sebbene ci siano circa 10 milioni di paia di buchi neri nella Via Lattea, Kipping notò che pochi di quelli probabilmente orbitavano a velocità relativistica a lungo, dal momento che si sarebbero uniti piuttosto rapidamente.
Tuttavia, ha osservato che i buchi neri isolati e rotanti potrebbero anche lanciare aloni a velocità relativistica ", e già conosciamo numerosi esempi di buchi neri supermassicci relativistici e rotanti".
Il principale svantaggio di un disco dell'alone sarebbe che "si deve viaggiare fino al buco nero più vicino", ha detto Kipping. "È come pagare un pedaggio unico per guidare il sistema autostradale. Devi pagare un po 'di energia per raggiungere il punto di accesso più vicino, ma dopo puoi guidare gratuitamente per tutto il tempo che desideri."
L'aureola funziona solo in prossimità di un buco nero, a una distanza da circa 5 a 50 volte il diametro del buco nero. "Questo è il motivo per cui devi prima recarti al buco nero più vicino e [perché non puoi] semplicemente farlo attraverso anni luce di spazio", ha detto Kipping. "Per prima cosa abbiamo ancora bisogno di un mezzo per viaggiare verso le stelle vicine per guidare il sistema autostradale.
"Se vogliamo raggiungere il volo relativistico, ci vogliono immensi livelli di energia, indipendentemente dal sistema di propulsione che usi", ha aggiunto. "Un modo per aggirare questo è usare gli oggetti astronomici come fonte di energia, dal momento che possiedono letteralmente livelli astronomici di energia al loro interno. In questo caso, il binario del buco nero è essenzialmente una gigantesca batteria che ci aspetta per toccarlo. L'idea è di lavorare con la natura e non contro di essa ".
Kipping sta ora studiando i modi per sfruttare altri sistemi astronomici per il volo relativistico. Tali tecniche "potrebbero non essere altrettanto efficienti o veloci come l'approccio halo-drive, ma questi sistemi possiedono le riserve energetiche profonde necessarie per questi viaggi", ha detto Kipping.
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