Sedan början av rymdåldern har människor har förlitat sig på kemiska raketer för att komma ut i rymden. Även om denna metod verkligen är effektiv, Det är också mycket dyrt och kräver en avsevärd mängd resurser. När vi letar efter mer effektiva sätt att komma ut i rymden, man måste undra om liknande avancerade arter på andra planeter (där förhållandena skulle vara annorlunda) skulle förlita sig på liknande metoder.

Harvardprofessor Abraham Loeb och Michael Hippke, en oberoende forskare som är ansluten till Sonneberg Observatory, båda tog upp denna fråga i två nyligen släppta tidningar. Medan professor Loeb tittar på de utmaningar som utomjordiska skulle möta att skjuta upp raketer från Proxima b, Hippke funderar på om utomjordingar som lever på en superjord skulle kunna komma ut i rymden.

Tidningarna, kaklade "Interstellar Escape from Proxima b is Barely Possible with Chemical Rockets" och "Spaceflight from Super-Earths is difficult" dök nyligen upp online, och författades av prof. Loeb och Hippke, respektive. Medan Loeb tar upp utmaningarna med kemiska raketer som slipper Proxima b, Hippke funderar på om samma raketer överhuvudtaget skulle kunna åstadkomma rymningshastighet.

För studiens skull, Loeb funderade på hur vi människor har turen att leva på en planet som är väl lämpad för rymdskjutningar. Väsentligen, om en raket ska fly från jordens yta och nå rymden, den måste uppnå en rymningshastighet på 11,186 km/s (40, 270 km/h; 25, 020 mph). Liknande, flykthastigheten som behövs för att komma bort från platsen för jorden runt solen är cirka 42 km/s (151, 200 km/h; 93, 951 mph).

Som professor Loeb berättade för Universe Today via e -post:

"Kemisk framdrivning kräver en bränslemassa som växer exponentiellt med terminalhastighet. Av en lycklig tillfällighet är rymningshastigheten från jordens bana runt solen vid gränsen för uppnåelig hastighet av kemiska raketer. Men den beboeliga zonen runt svagare stjärnor är närmare i, vilket gör det mycket mer utmanande för kemiska raketer att fly från den djupare gravitationsgropen där. "

Som Loeb indikerar i sin uppsats, rymningshastigheten skalas som kvadratroten av stjärnmassan över avståndet från stjärnan, vilket innebär att rymningshastigheten från den beboeliga zonen skalar omvänt med stjärnmassa till en fjärdedel. För planeter som jorden, kretsar inom den beboeliga zonen hos en stjärna av G-typ (gul dvärg) som vår sol, detta löser sig ganska länge.

Tyvärr, detta fungerar inte bra för markbundna planeter som kretsar stjärnor med en lägre massa av M-typen (röd dvärg). Dessa stjärnor är den vanligaste typen i universum, står för 75 procent av stjärnorna enbart i Vintergatan. Dessutom, senaste undersökningar av exoplaneten har upptäckt en uppsjö av steniga planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnesystem, med några forskare som vågar sig på att de är den mest troliga platsen att hitta potentiellt beboeliga steniga planeter.

Använd den närmaste stjärnan till vår egen som ett exempel (Proxima Centauri), Loeb förklarar hur en raket som använder kemiskt drivmedel skulle ha mycket svårare att uppnå rymningshastighet från en planet belägen inom dess beboeliga zon.

"Närmaste stjärna till solen, Proxima Centauri, är ett exempel på en svag stjärna med bara 12 procent av solens massa, "sa han." För ett par år sedan, det upptäcktes att denna stjärna har en planet i jordstorlek, Proxima b, i sin beboeliga zon, vilket är 20 gånger närmare än jordens separation från solen. På den platsen, rymningshastigheten är 50 procent större än från jordens bana runt solen. En civilisation på Proxima b kommer att få svårt att fly från sin plats till interstellära rymden med kemiska raketer. "

Hippkes papper, å andra sidan, börjar med att tänka på att jorden i själva verket kanske inte är den mest beboeliga typen av planeten i vårt universum. Till exempel, planeter som är mer massiva än jorden skulle ha högre ytvikt, vilket innebär att de skulle kunna hålla fast vid en tjockare atmosfär, vilket skulle ge större skydd mot skadliga kosmiska strålar och solstrålning.

Dessutom, en planet med högre gravitation skulle ha en plattare topografi, vilket resulterar i skärgårdar istället för kontinenter och grundare hav - en idealisk situation när det gäller biologisk mångfald. Dock, när det gäller raketuppskjutningar, ökad ytvikt skulle också innebära en högre rymningshastighet. Som Hippke indikerade i sin studie:

"Raketer lider av Tsiolkovsky (1903) -ekvationen:om en raket bär sitt eget bränsle, förhållandet mellan total raketmassa och sluthastighet är en exponentiell funktion, vilket gör höga hastigheter (eller tunga nyttolaster) allt dyrare. "

För jämförelse, Hippke använder Kepler-20 b, en superjord som ligger 950 ljusår bort, 1,6 gånger jordens radie och 9,7 gånger dess massa. Medan rymningshastigheten från jorden är ungefär 11 km/s, en raket som försöker lämna en Super-Earth som liknar Kepler-20 b skulle behöva uppnå en rymningshastighet på ~ 27,1 km/s. Som ett resultat, en enstegsraket på Kepler-20 b skulle behöva bränna 104 gånger så mycket bränsle som en raket på jorden för att komma i omloppsbana.

För att sätta det i perspektiv, Hippke betraktar specifika nyttolaster som sjösätts från jorden. "För att lyfta en mer användbar nyttolast på 6,2 t som krävs för James Webb rymdteleskop på Kepler-20 b, bränslemassan skulle öka till 55, 000 t, om massan av de största havsstridsfartygen, "skriver han." För ett klassiskt Apollo -månemission (45 t), raketen skulle behöva vara betydligt större, ~ 400, 000 ton. "

Medan Hippkes analys drar slutsatsen att kemiska raketer fortfarande skulle möjliggöra rymningshastigheter på Super-Earths upp till 10 jordmassor, mängden drivmedel som behövs gör denna metod opraktisk. Som Hippke påpekade, detta kan ha en allvarlig effekt på en främmande civilisations utveckling.

"Jag är förvånad över att se hur nära vi som människor kommer att hamna på en planet som fortfarande är ganska lätt för att genomföra rymdflygning, "sa han." Andra civilisationer, om de finns, kanske inte har lika tur. På mer massiva planeter, rymdflygning skulle bli exponentiellt dyrare. Sådana civilisationer skulle inte ha satellit -TV, ett måneuppdrag, eller ett rymdteleskop från Hubble. Detta bör förändra deras utvecklingssätt på vissa sätt som vi nu kan analysera mer detaljerat. "

Båda dessa artiklar har några tydliga konsekvenser när det gäller sökandet efter utomjordisk intelligens (SETI). Till att börja, det betyder att civilisationer på planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor eller Superjordar är mindre benägna att rymdfärda, vilket skulle göra det svårare att upptäcka dem. Det indikerar också att när det gäller de typer av framdrivning mänskligheten känner till, vi kan vara i minoritet.

"Dessa resultat ovan innebär att kemisk framdrivning har en begränsad nytta, så det vore vettigt att söka efter signaler i samband med ljussegel eller kärnmotorer, särskilt nära dvärgstjärnor, "sade Loeb." Men det finns också intressanta konsekvenser för framtiden för vår egen civilisation. "

"En konsekvens av papperet är för rymdkolonisering och SETI, "tillade Hippke." Civs från Super-Earths är mycket mindre benägna att utforska stjärnorna. Istället, de skulle (till viss del) "arresteras" på sin hemplanet, och t.ex. utnyttja mer lasrar eller radioteleskop för interstellär kommunikation istället för att skicka sonder eller rymdskepp. "

Dock, både Loeb och Hippke noterar också att utomjordiska civilisationer kan hantera dessa utmaningar genom att anta andra framdrivningsmetoder. I slutet, kemisk framdrivning kan vara något som få teknologiskt avancerade arter skulle anta eftersom det helt enkelt inte är praktiskt för dem. Som Loeb förklarade:

"En avancerad utomjordisk civilisation kan använda andra framdrivningsmetoder, såsom kärnkraftsmotorer eller ljussegel som inte begränsas av samma begränsningar som kemisk framdrivning och kan nå hastigheter så höga som en tiondel av ljusets hastighet. Vår civilisation utvecklar för närvarande dessa alternativa framdrivningstekniker men dessa ansträngningar är fortfarande i sin linda. "

Ett sådant exempel är Breakthrough Starshot, som för närvarande utvecklas av Breakthrough Prize Foundation (varav Loeb är ordförande för den rådgivande kommittén). Detta initiativ syftar till att använda ett laserdriven ljussegel för att accelerera en nanokraft upp till 20 procent av ljusets hastighet, vilket gör det möjligt att resa till Proxima Centauri på bara 20 år.

Hippke anser på samma sätt kärnraketer som en livskraftig möjlighet, eftersom ökad ytvikt också skulle innebära att rymdhissar skulle vara opraktiska. Loeb indikerade också att de begränsningar som planeterna kring lågmassastjärnor kan ha kan få konsekvenser för när människor försöker kolonisera det kända universum:

"När solen värms upp tillräckligt för att koka allt vatten från jordens yta, då kunde vi flytta till ett nytt hem. Några av de mest önskvärda destinationerna skulle vara system av flera planeter runt lågmassestjärnor, som den närliggande dvärgstjärnan TRAPPIST-1 som väger 9 procent av en solmassa och är värd för sju planeter i jordstorlek. När vi väl kommer till den beboeliga zonen i TRAPPIST-1, dock, det skulle inte vara något bråttom att fly. Sådana stjärnor förbränner väte så långsamt att de kan hålla oss varma i tio biljoner år, ungefär tusen gånger längre än solens livstid. "

Men under tiden, vi kan vara lugna i vetskapen om att vi lever på en beboelig planet runt en gul dvärgstjärna, som ger oss inte bara liv, men förmågan att komma ut i rymden och utforska. Som alltid, när det gäller att söka efter tecken på utomjordiskt liv i vårt universum, vi människor tvingas ta det "lågt hängande fruktsättet".

I grund och botten, den enda planeten vi känner till som stöder livet är jorden, och det enda sättet att utforska rymden vi vet hur vi ska leta efter är de vi själva har provat och testat. Som ett resultat, vi är något begränsade när det gäller att leta efter biosignaturer (dvs. planeter med flytande vatten, syre- och kvävgasatmosfärer, etc.) eller teknosignaturer (dvs. radiosändningar, kemiska raketer, etc.).

I takt med att vår förståelse av vilka förhållanden livet kan uppstå under ökar, och vår egen teknik framsteg, vi kommer att ha mer att hålla utkik efter. Och förhoppningsvis, trots de ytterligare utmaningar det kan ställas inför, utomjordiskt liv kommer att leta efter oss!

Professor Loebs uppsats publicerades också nyligen i Scientific American.