Czy moglibyśmy wysłać sondę kosmiczną w kierunku czarnej dziury? Fascynująca koncepcja włoskiego astrofizyka
Najbliższa nam czarna dziura znajduje się w odległości około 1560 lat świetlnych, w gwiazdozbiorze Wężownika. Nasza Galaktyka zawiera prawdopodobnie około 100 milionów czarnych dziur o masach gwiazdowych. Do tej pory badaliśmy te niezwykłe obiekty z oddali. Jednak włoski uczony Cosimo Bambi z Uniwersytetu Fudan w Szanghaju przekonuje, że powinniśmy zacząć badać je z bliska. Tylko jak rozpędzić sondę, by pokonała odległość tysięcy lat świetlnych w racjonalnym dla nas czasie?
Czy można zbadać odległą o tysiące lat świetlnych czarną dziurę dzięki 3-gramowej sondzie napędzanej laserowo? Zdaniem włoskiego astrofizyka jest to całkiem realny scenariusz. Ale od początku.
Czarne dziury jako kosmiczne laboratoria
Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, w którym pole grawitacyjne jest tak silne, że nic – nawet światło – nie jest w stanie się z niego wydostać. Oczywiście mówiąc o dziurze nie mamy tu na myśli pustki. Przeciwnie – czarna dziura to ogromna masa skompresowana do niewyobrażalnie małych rozmiarów. Czarne dziury o masach gwiazdowych powstają najczęściej wtedy, gdy bardzo masywna gwiazda kończy swoje życie. Po wyczerpaniu paliwa jądrowego jej rdzeń zapada się pod własnym ciężarem, a jeśli jest wystarczająco masywny, żadna znana siła nie jest w stanie zatrzymać tego zapadania. Materia kurczy się w nieskończoność, aż do teoretycznego punktu o zerowej objętości, zwanego osobliwością.
Wokół tej osobliwości rozciąga się niewidzialna granica zwana horyzontem zdarzeń. To nie fizyczna powierzchnia, lecz punkt bez powrotu: wszystko, co go przekroczy – materia, światło, informacja – nie może już nigdy wrócić na zewnątrz. Czarne dziury to naturalne laboratoria do testowania ogólnej teorii względności Einsteina w warunkach ekstremalnych, niemożliwych do odtworzenia na Ziemi. I właśnie dlatego Cosimo Bambi chce je zbadać z bliska.
Gdzie znajduje się najbliższa czarna dziura?
Ten urodzony we Florencji naukowiec ma na swoich koncie ponad 200 artykułów naukowych i jest uznawany za autorytet w dziedzinie badania czarnych dziur. Naukowiec od 2012 roku mieszka i pracuje w Szanghaju. Zbudował na Uniwersytecie Fudan pierwszą grupę badawczą zajmującą się astrofizyką wysokoenergetyczną i czarnymi dziurami, współpracującą z MIT, Caltech i Cambridge. Uczestniczy m.in. w analizie danych z chińskiego teleskopu rentgenowskiego HXMT.
Od kilku lat Bambi rozwija koncepcję wysłania w kierunku czarnej dziury sondy badawczej. W artykule opublikowanym na platformie ArXiv szacuje, iż jakaś gwiazdowa czarna dziura musi znajdować się bliżej Ziemi niż odkryta przez misję Gaia czarna dziura GAIA-BH1, leżąca w odległości 478 pc (1560 lat świetlnych). Jego zdaniem najbliższa czarna dziura może znajdować się w promieniu 6–8 parseków od Ziemi, co odpowiada mniej więcej 20–25 lat świetlnych.
3-gramowy satelita badawczy
Jeśli uda się odnaleźć taką czarną dziurę, można byłoby wysłać w jej kierunku nano-sondę – satelitę o masie trzech gramów. Nano-sonda składałaby się z dwóch głównych części: waflowego „chipa” stanowiącego pełnoprawną sondę kosmiczną (procesor, silniki, panele słoneczne, nawigacja, łączność) oraz cienkiego, metrowej wielkości żagla świetlnego wykonanego z dielektrycznego metamateriału.
Sonda poruszałaby się dzięki laserom. Jak miałoby to działać? Zacznijmy od tego, że foton, mimo że nie ma masy spoczynkowej, niesie ze sobą pęd (p = E/c, gdzie E to energia fotonu, a c to prędkość światła). Kiedy foton uderza w powierzchnię i odbija się od niej (albo zostaje pochłonięty), przekazuje jej część swojego pędu, dokładnie tak samo, jak piłka odbita od ściany przekazuje jej impuls. Miliardy fotonów uderzających w żagiel co sekundę sumują się w realną, choć bardzo małą, siłę pchającą. Sonda nie musiałaby mieć innego napędu niż żagiel świetlny. Lasery zasilałyby go bezpośrednio z Ziemi.
Jak rozpędzić coś do 1/3 prędkości światła?
W najnowszym artykule podają nawet realne wyliczenie dla trzygramowej sondy przyspieszanej do 1/3 prędkości światła:
- maksymalne przyspieszenie, jakie może wytrzymać taki nano-pojazd, to ok. 100 000 m/s² (czyli ok. 10 000 razy więcej niż przyspieszenie ziemskie – sonda musi być zbudowana tak, by to wytrzymać, stąd brak części ruchomych, delikatnej elektroniki itd.);
- przy takim przyspieszeniu, rozpędzenie sondy od zera do 1/3 prędkości światła trwa zaledwie 17 minut.
Jest w tym jednak jeden, wcale nie mały, haczyk. Przede wszystkim, aby to osiągnąć, trzeba dostarczyć do żagla energię rzędu 30 gigawatogodzin (GWh) w ciągu tych 17 minut. To oznacza, że laser musi mieć moc rzędu 100 gigawatów (GW). To z grubsza tyle, ile wytwarza kilkadziesiąt dużych elektrowni jądrowych działających jednocześnie.
Po zakończeniu tej krótkiej, intensywnej fazy przyspieszania laser jest wyłączany, a sonda leci już bezwładnie przez dziesięciolecia w stronę celu – bez dalszego zużycia energii. I tutaj następuje kolejny problem – jak zatrzymać tak rozpędzoną sondę? Grupa badawcza Cosima Bambiego właśnie pracuje nad możliwymi rozwiązaniami tego dylematu.
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.