Siden begyndelsen af rumalderen har mennesker været afhængige af kemiske raketter for at komme ud i rummet. Selvom denne metode bestemt er effektiv, er den også meget dyr og kræver en betydelig mængde ressourcer. Når vi ser på mere effektive midler til at komme ud i rummet, må man undre sig over, om lignende avancerede arter på andre planeter (hvor forholdene ville være forskellige) ville stole på lignende metoder.
Harvard-professor Abraham Loeb og Michael Hippke, en uafhængig forsker tilknyttet Sonneberg-observatoriet, behandlede begge dette spørgsmål i to nyligt frigivne artikler. Mens professor Loeb ser på udfordringerne udenjordiske vil blive udsat for raketter fra Proxima b, overvejer Hippke, om udlændinge, der bor på en Super-Earth, ville være i stand til at komme ud i rummet.
Papirerne, flisebelagt ”Interstellar flugt fra Proxima b er næppe muligt med kemiske raketter” og ”Rumflyvning fra Super-Earths er svær” blev for nylig vist online og blev forfatter af henholdsvis professor Loeb og Hippke. Mens Loeb løser udfordringerne ved kemiske raketter, der slipper ud for Proxima b, overvejer Hippke, om de samme raketter overhovedet ville være i stand til at opnå flugthastighed.
Af hensyn til hans undersøgelse overvejede Loeb, hvordan vi mennesker er heldige nok til at leve på en planet, der er velegnet til rumlanceringer. I det væsentlige skal en raket undslippe fra jordens overflade og nå plads, skal den opnå en flugthastighed på 11.186 km / s (40.270 km / t; 25.020 mph). Tilsvarende er den nødvendige flugthastighed for at komme væk fra jordens placering omkring solen ca. 42 km / s (151.200 km / t; 93.951 mph).
Som professor Loeb fortalte Space Magazine via e-mail:
”Kemisk fremdrift kræver en brændstofmasse, der vokser eksponentielt med terminalhastigheden. Ved en heldig tilfældighed er flugthastigheden fra Jordens bane rundt om Solen ved grænsen for opnåelig hastighed af kemiske raketter. Men den beboelige zone omkring svagere stjerner er tættere på, hvilket gør det meget mere udfordrende for kemiske raketter at flygte fra den dybere gravitationskrop der. ”
Som Loeb indikerer i sit essay, skalerer flugthastigheden som kvadratroden af stjernemassen over afstanden fra stjernen, hvilket indebærer, at flugthastigheden fra den beboelige zone skalerer omvendt med stjernemasse til magten af en fjerdedel. For planeter som Jorden, der kredser inden for den beboelige zone af en G-type (gul dværg) -stjerne som vores Sol, fungerer dette ganske længe.
Desværre fungerer dette ikke godt for jordbaserede planeter, der kredser rundt om stjerner af M-type (rød dværg). Disse stjerner er den mest almindelige type i universet og tegner sig for 75% af stjernerne i Melkevejsgalaksen alene. Derudover har nylige eksoplanetundersøgelser opdaget en overflod af stenede planeter, der kredser over røde dværgstjernesystemer, med nogle forskere, der vovede sig på, at de er det mest sandsynlige sted at finde potentielt beboelige stenede planeter.
Ved hjælp af vores nærmeste stjerne som eksempel (Proxima Centauri) forklarer Loeb, hvordan en raket, der bruger kemisk drivmiddel, ville have en meget sværere tid med at opnå flugthastighed fra en planet beliggende inden for den beboelige zone.
”Den nærmeste stjerne til Solen, Proxima Centauri, er et eksempel på en svag stjerne med kun 12% af solens masse,” sagde han. ”For et par år siden blev det opdaget, at denne stjerne har en jordstørrelse planet, Proxima b, i sin beboelige zone, som er 20 gange tættere end adskillelsen af Jorden fra Solen. På dette sted er flugthastigheden 50% større end fra jordens bane omkring solen. En civilisation i Proxima b vil have svært ved at flygte fra deres placering til interstellar rum med kemiske raketter. ”
Hippkes papir begynder på den anden side med at overveje, at Jorden faktisk ikke er den mest beboelige type planet i vores Universum. For eksempel ville planeter, der er mere massive end Jorden, have højere overfladetyngdekraft, hvilket betyder, at de ville være i stand til at holde fast i en tykkere atmosfære, hvilket ville give større afskærmning mod skadelige kosmiske stråler og solstråling.
Derudover ville en planet med højere tyngdekraft have en fladere topografi, hvilket resulterer i øgrupper i stedet for kontinenter og lavere oceaner - en ideel situation, hvor biodiversitet er bekymret. Når det kommer til raketudskydninger, vil øget overfladetyngdekraft imidlertid også betyde en højere flugthastighed. Som Hippke anførte i sin undersøgelse:
”Raketter lider af ligningen Tsiolkovsky (1903): hvis en raket bærer sit eget brændstof, er forholdet mellem den samlede raketmasse og den endelige hastighed en eksponentiel funktion, hvilket gør høje hastigheder (eller tung nyttelast) stadig dyrere.”
Til sammenligning bruger Hippke Kepler-20 b, en Super-Earth beliggende 950 lysår væk, der er 1,6 gange Jordens radius og 9,7 gange den masse. Mens flugthastigheden fra Jorden er ca. 11 km / s, ville en raket, der forsøger at forlade en Superjord, svarende til Kepler-20b, være nødvendigt for at opnå en flugthastighed på ~ 27,1 km / s. Som et resultat skulle en en-trins raket på Kepler-20b skulle brænde 104 gange så meget brændstof som en raket på Jorden for at komme ind i kredsløb.
For at sætte det i perspektiv overvejer Hippke specifikke nyttelast, der lanceres fra Jorden. ”For at løfte en mere nyttig nyttelast på 6,2 t som krævet til James Webb-rumteleskopet på Kepler-20 b, ville brændstofmassen stige til 55.000 t, omtrent massen af de største havslagskibe,” skriver han. "Ved en klassisk Apollo-månemission (45 t) skulle raketten være betydeligt større, ~ 400.000 t."
Mens Hippkes analyse konkluderer, at kemiske raketter stadig ville muliggøre flugthastigheder på Super-Earths op til 10 jordmasser, gør den nødvendige drivmængde denne metode upraktisk. Som Hippke påpegede, kunne dette have en alvorlig effekt på en fremmed civilisations udvikling.
”Jeg er overrasket over at se, hvor tæt vi som mennesker er ved at ende på en planet, der stadig er rimelig let at udføre rumflugt,” sagde han. ”Andre civilisationer, hvis de findes, er måske ikke så heldige. På mere massive planeter ville rumflugt blive eksponentielt dyrere. Sådanne civilisationer ville ikke have satellit-tv, en månemission eller et Hubble-rumteleskop. Dette skulle ændre deres måde at udvikle på visse måder, vi nu kan analysere mere detaljeret. ”
Begge disse papirer har nogle klare konsekvenser, når det gælder søgningen efter udenlandsk intelligens (SETI). Til at begynde med betyder det, at civilisationer på planeter, der kredser om røde dværgstjerner eller Super-Earths, er mindre tilbøjelige til at være rumfarende, hvilket ville gøre detektering af dem vanskeligere. Det indikerer også, at når det kommer til den slags fremdrift, som menneskeheden kender, kan vi være i mindretal.
"Ovenstående resultater indebærer, at kemisk fremdrift har et begrænset anvendelighed, så det ville være fornuftigt at søge efter signaler, der er forbundet med lyssejl eller nukleare motorer, især i nærheden af dværgstjerner," sagde Loeb. ”Men der er også interessante konsekvenser for fremtiden for vores egen civilisation.”
”En konsekvens af papiret er rumkolonisering og SETI,” tilføjede Hippke. ”Civs fra Super-Earths er meget mindre tilbøjelige til at udforske stjernerne. I stedet ville de (til en vis grad) blive "arresteret" på deres hjemmeplanet, og f.eks. gøre mere brug af lasere eller radioteleskoper til interstellar kommunikation i stedet for at sende sonder eller rumskibe. ”
Både Loeb og Hippke bemærker dog også, at udenjordiske civilisationer kunne tackle disse udfordringer ved at anvende andre fremdrivningsmetoder. I sidste ende kan kemisk fremdrift være noget, som få teknologisk avancerede arter ville vedtage, fordi det simpelthen ikke er praktisk for dem. Som Loeb forklarede:
”En avanceret udenjordisk civilisation kunne bruge andre fremdrivningsmetoder, såsom nukleare motorer eller lyssejle, som ikke er begrænset af de samme begrænsninger som kemisk fremdrift og kan nå hastigheder så højt som en tiendedel af lysets hastighed. Vores civilisation udvikler i øjeblikket disse alternative fremdrivningsteknologier, men disse bestræbelser er stadig i deres barndom. ”
Et sådant eksempel er Breakthrough Starshot, der i øjeblikket er under udvikling af Breakthrough Prize Foundation (hvor Loeb er formand for det rådgivende udvalg). Dette initiativ sigter mod at bruge et laserdrevet lyssejl til at fremskynde et nanokraft op til hastigheder på 20% lysets hastighed, hvilket gør det muligt for det at rejse til Proxima Centauri på kun 20 år.
Hippke betragter ligeledes atomraketer som en levedygtig mulighed, da øget overfladetyngdekraft også ville betyde, at rumhevninger ville være upraktiske. Loeb indikerede også, at de begrænsninger, der blev indført af planeter omkring stjerner med lav masse, kunne have konsekvenser for, når mennesker forsøger at kolonisere det kendte univers:
”Når solen bliver varm nok til at koge alt vand fra jordens overflade, kunne vi flytte til et nyt hjem inden da. Nogle af de mest ønskelige destinationer ville være systemer med flere planeter omkring stjerner med lav masse, såsom den nærliggende dværgstjerne TRAPPIST-1, der vejer 9% af en solmasse og er vært for syv planeter i jordstørrelse. Når vi først er kommet til den beboelige zone TRAPPIST-1, ville der dog ikke være nogen hast med at flygte. Sådanne stjerner brænder brint så langsomt, at de kunne holde os varme i ti billioner år, cirka tusind gange længere end solens levetid. ”
Men i mellemtiden kan vi hvile let i den viden, at vi lever på en beboelig planet omkring en gul dværgstjerne, som giver os ikke kun liv, men evnen til at komme ud i rummet og udforske. Som altid, når det kommer til at søge tegn på udenjordisk liv i vores univers, er vi mennesker tvunget til at tage den "lavt hængende frugt tilgang".
Grundlæggende er den eneste planet, vi kender til, der understøtter livet, Jorden, og de eneste midler til rumforskning, vi ved, hvordan vi skal se efter, er dem, vi selv har prøvet og testet. Som et resultat er vi noget begrænset, når det kommer til at lede efter biosignaturer (dvs. planeter med flydende vand, ilt og nitrogenatmosfærer osv.) Eller teknosignaturer (dvs. radiotransmissioner, kemiske raketter osv.).
Når vores forståelse af, hvilke forhold livet kan opstå under stigninger, og vores egen teknologi skrider frem, har vi mere at være på udkig efter. Og forhåbentlig, på trods af de ekstra udfordringer, det måtte komme, vil det udenjordiske liv være på udkig efter os!
Professor Loebs essay blev også for nylig offentliggjort i Scientific American.
