Deze visualisatie toont twee samenvoegende zwarte gaten, waarvan de hoge snelheid een boost zou kunnen zijn voor laserlicht dat om hen heen slingert.
(Afbeelding: © NASA's Goddard Space Flight Center)
Toekomstige ruimteschepen zouden zwarte gaten kunnen gebruiken als krachtige lanceerplatforms om de sterren te verkennen.
Een nieuwe studie overweegt laserstralen af te vuren die rond een zwart gat zouden buigen en terug zouden komen met extra energie om een ruimtevaartuig tot bijna de lichtsnelheid te helpen voortstuwen. Astronomen zouden kunnen zoeken naar tekenen dat buitenaardse beschavingen zo'n 'halo-aandrijving' gebruiken, zoals de studie het noemt, door te zien of paren zwarte gaten vaker samenkomen dan verwacht.
Studie-auteur David Kipping, astrofysicus aan de Columbia University in New York, kwam op het idee van de halo-drive door wat hij 'de denkwijze van de gamer' noemt.
'Soms vind je in een computerspel een' exploit ', een hack waarmee je iets overweldigend kunt doen dat anders door de regels van het spel zou worden verboden,' vertelde Kipping aan Space.com. "In dit geval is het spel de fysieke wereld, en ik probeerde na te denken over exploits die het voor een beschaving mogelijk zouden maken om een relativistische vlucht heen en weer over de melkweg te maken zonder de enorme energiekosten die men naïef zou kunnen aannemen."
Een belangrijke uitdaging bij het gebruik van raketten om door de ruimte te vliegen, is dat het drijfgas dat ze met zich meedragen heeft massa. Lange reizen hebben veel drijfgas nodig, waardoor de raketten zwaar worden, wat op zijn beurt meer drijfgas nodig heeft, waardoor de raketten nog zwaarder worden, enzovoort. Dat probleem wordt exponentieel erger naarmate de raket groter wordt.
In plaats van voortstuwingsmiddel voor voortstuwing te vervoeren, zouden ruimtevaartuigen die zijn uitgerust met spiegelachtige zeilen, kunnen vertrouwen op lasers om ze naar buiten te duwen. De $ 100 miljoen Baanbrekend Starshot-initiatief, aangekondigd in 2016, is van plan krachtige lasers te gebruiken om zwermen van ruimtevaartuigen naar Alpha Centauri, het dichtstbijzijnde zonnestelsel, te stuwen met een snelheid van 20 procent van het licht.
Het ruimtevaartuig dat Breakthrough Starshot wil lanceren, heeft elk slechts de grootte van een microchip. Om grotere ruimteschepen te versnellen tot relativistische snelheden - tot een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid - zocht Kipping de hulp van de zwaartekracht.
Ruimtevaartuigen gebruiken nu regelmatig 'katapultmanoeuvres', waarbij de zwaartekracht van een lichaam, zoals een planeet of maan, de schepen door de ruimte slingert en hun snelheid verhoogt. In 1963 suggereerde de beroemde natuurkundige Freeman Dyson dat ruimteschepen van een bepaalde grootte konden vertrouwen op katapultmanoeuvres rond compacte paren witte dwergen of neutronensterren om met relativistische snelheden te vliegen. (Dyson bedacht het idee van wat bekend werd als een Dyson bol, een megastructuur die een ster omhult om zoveel mogelijk van zijn energie vast te leggen om een geavanceerde beschaving van stroom te voorzien.)
Een "Dyson-katapult" loopt echter het risico een ruimtevaartuig te beschadigen door extreme zwaartekrachten en gevaarlijke straling van die paren dode sterren. In plaats daarvan suggereert Kipping dat de zwaartekracht ruimteschepen zou kunnen helpen door de energie van laserstralen die aan de randen van zwarte gaten worden afgevuurd, te vergroten.
Zwarte gaten hebben zwaartekrachtsvelden die zo krachtig zijn dat niets eraan kan ontsnappen zodra ze dichtbij genoeg zijn, zelfs geen licht. Hun zwaartekrachtvelden kunnen ook de paden van fotonen van licht vervormen die niet in de gaten vallen.
In 1993 suggereerde natuurkundige Mark Stuckey dat een zwart gat in principe zou kunnen fungeren als een 'zwaartekrachtspiegel', omdat de zwaartekracht van het zwarte gat een foton rond kan slingeren zodat het terugvloog naar zijn bron. Kipping berekende dat als een zwart gat naar de bron van een foton zou bewegen, het "boemerang-foton" een deel van de energie van het zwarte gat zou overhevelen.
Met behulp van wat hij een "halo-aandrijving" noemde - genoemd naar de lichtring die het rond een zwart gat zou creëren - ontdekte Kipping dat zelfs ruimteschepen met de massa van Jupiter relativistische snelheden konden bereiken. 'Een beschaving zou zwarte gaten kunnen exploiteren als galactische waypoints', schreef hij een onderzoek geaccepteerd door het Journal of the British Interplanetary Society en gedetailleerd online op 28 februari in de arXiv preprint-server.
Hoe sneller een zwart gat beweegt, hoe meer energie een halo-aandrijving eruit kan halen. Als zodanig richtte Kipping zich grotendeels op het gebruik van paren zwarte gaten die voor een fusie naar elkaar toe spiralen.
Astronomen zouden kunnen zoeken naar tekenen dat buitenaardse beschavingen paren van zwarte gaten exploiteren om met zo'n motor te reizen. Halo-aandrijvingen zouden hier bijvoorbeeld effectief energie van stelen binaire systemen met zwarte gaten, waardoor de snelheid waarmee paren zwarte gaten samensmelten, toeneemt boven wat men van nature zou verwachten te zien, zei Kipping.
Zijn bevindingen waren gebaseerd op boosts van paren zwarte gaten die met relativistische snelheden om elkaar heen cirkelden. Hoewel er naar schatting 10 miljoen paar zwarte gaten in de Melkweg zijn, merkte Kipping op dat maar weinig van hen waarschijnlijk lang in een relativistische snelheid ronddraaiden, omdat ze vrij snel zouden samensmelten.
Toch merkte hij op dat geïsoleerde, draaiende zwarte gaten ook halo-drives met relativistische snelheden zouden kunnen lanceren ", en we kennen al talloze voorbeelden van relativistische, ronddraaiende superzware zwarte gaten."
Het grootste nadeel van een halo-aandrijving is dat 'je naar het dichtstbijzijnde zwarte gat moet reizen', zei Kipping. 'Het lijkt op het betalen van een eenmalige tol voor het rijden op het snelwegsysteem. Je moet wat energie betalen om het dichtstbijzijnde toegangspunt te bereiken, maar daarna kun je gratis rijden zolang je wilt.'
De halo-aandrijving werkt alleen in de nabijheid van een zwart gat, op een afstand van ongeveer vijf tot vijftig keer de diameter van het zwarte gat. 'Dit is waarom je eerst naar het dichtstbijzijnde zwarte gat moet reizen en [waarom je] dit niet zomaar kunt doen over lichtjaren ruimte,' zei Kipping. 'We hebben nog steeds eerst een middel nodig om naar sterren in de buurt te reizen om over het snelwegsysteem te rijden.
"Als we een relativistische vlucht willen bereiken, zijn er enorme energieniveaus nodig, ongeacht het voortstuwingssysteem dat je gebruikt," voegde hij eraan toe. 'Een manier om dit te omzeilen is door astronomische objecten als energiebron te gebruiken, omdat ze letterlijk in bezit zijn astronomische energieniveaus binnen hen. In dit geval is de binaire met een zwart gat in wezen een gigantische batterij die op ons wacht om erop te tikken. Het idee is om met de natuur te werken en niet ertegen. "
Kipping onderzoekt nu manieren om andere astronomische systemen te gebruiken voor een relativistische vlucht. Dergelijke technieken 'zijn misschien niet zo efficiënt of snel als de halo-drive benadering, maar deze systemen beschikken over de diepe energiereserves die nodig zijn voor deze reizen', zei Kipping.
- The Cataclysm Hunters: Search for Double Black Holes
- Double Black Hole Collision gespot door gravitatiegolfdetectoren
- Laseraandrijving: wild idee kan eindelijk schijnen
