Idén att resa till ett annat stjärnsystem har varit människors dröm långt innan de första raketerna och astronauterna skickades till rymden. Men trots alla framsteg vi har gjort sedan början av rymdåldern, Interstellära resor förblir just det – en dröm. Även om teoretiska begrepp har föreslagits, frågor om kostnader, restid och bränsle förblir mycket problematiska.

Många förhoppningar hänger för närvarande på användningen av riktad energi och ljussegel för att driva små rymdfarkoster till relativistiska hastigheter. Men tänk om det fanns ett sätt att göra större rymdfarkoster tillräckligt snabba för att genomföra interstellära resor? Enligt prof. David Kipping, ledaren för Columbia Universitys Cool Worlds-labb, framtida rymdfarkoster kan förlita sig på en halo-enhet, som använder gravitationskraften från ett svart hål för att nå otroliga hastigheter.

Prof. Kipping beskrev detta koncept i en nyligen genomförd studie som dök upp online (förtrycket finns också tillgängligt på Cool Worlds hemsida). I det, Kipping tog sig an en av de största utmaningarna som rymdutforskningen innebär, vilket är den stora mängd tid och energi det skulle ta att skicka en rymdfarkost på ett uppdrag för att utforska bortom vårt solsystem.

Kipping berättade för Universe Today via e-post:"Interstellära resor är en av de mest utmanande tekniska bedrifterna vi kan tänka oss. Även om vi kan tänka oss att driva mellan stjärnorna under miljontals år – vilket är legitimt interstellärt resor – för att uppnå resor på tidsskalor av århundraden eller mindre kräver relativistisk framdrivning."

Som Kipping uttryckte det, relativistisk framdrivning (eller acceleration till en bråkdel av ljusets hastighet) är mycket dyrt i termer av energi. Befintliga rymdfarkoster har helt enkelt inte bränslekapaciteten för att komma upp i den typen av hastigheter, och brist på detonerande kärnvapen för att generera dragkraft à la Project Orion, eller bygga en fusion ramjet à la Project Daedalus, det finns inte många alternativ.

På senare år har uppmärksamheten har flyttats mot idén att använda ljussegel och nanocraft för att utföra interstellära uppdrag. Ett välkänt exempel är Breakthrough Starshot, ett initiativ som syftar till att skicka ett rymdskepp i smartphonestorlek till Alpha Centauri inom vår livstid. Med hjälp av en kraftfull laseruppsättning, ljusseglet skulle accelereras till hastigheter på upp till 20 procent av ljusets hastighet – vilket gör resan på 20 år.

"Men även här, du pratar om flera terrajoule energi för den mest minimalistiska (en gram-mass) rymdfarkost man kan tänka sig, ", sa Kipping. "Det är den kumulativa energiproduktionen från kärnkraftverk som körs i veckor i sträck... så det är därför det är svårt."

Till detta, Kipping föreslår en modifierad version av "Dyson Slingshot, "en idé som föreslagits av den vördade teoretiske fysikern Freeman Dyson, teoretikern bakom Dyson-sfären. I 1963 års bok Interstellär kommunikation (Kapitel 12:"Gravitationsmaskiner"), Dyson beskrev hur rymdfarkoster kunde slunga runt kompakta dubbelstjärnor för att få en betydande ökning av hastigheten.

Som Dyson beskrev det, ett fartyg skulle skickas till ett kompakt binärt system där det skulle utföra en gravitationshjälpmanöver. Detta skulle bestå av att rymdskeppet tar upp fart från binärens intensiva gravitation, lägga till motsvarigheten till två gånger deras rotationshastighet till sin egen, och kastas sedan ut ur systemet.

Även om möjligheten att utnyttja denna typ av energi för framdrivningens skull var mycket teoretisk på Dysons tid (och fortfarande är det), Dyson gav två skäl till varför "gravitationsmaskiner" var värda att utforska:

"Först, om vår art fortsätter att expandera sin befolkning och sin teknologi i en exponentiell takt, det kan komma en tid i en avlägsen framtid då ingenjörskonst i astronomisk skala kan vara både genomförbart och nödvändigt. Andra, om vi söker efter tecken på tekniskt avancerat liv som redan finns någon annanstans i universum, det är användbart att överväga vilken typ av observerbara fenomen en riktigt avancerad teknik kan vara kapabel att producera."

Kortfattat, gravitationsmaskiner är värda att studera ifall de blir möjliga någon gång, och eftersom den här studien kan tillåta oss att upptäcka möjliga utomjordiska intelligenser (ETI) genom att detektera de teknosignaturer som sådana maskiner skulle skapa. Utvidgar detta, Kipping överväger hur svarta hål, speciellt de som finns i binära par, skulle kunna utgöra ännu kraftfullare gravitationsslungor.

Detta förslag är delvis baserat på den senaste framgången för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som har detekterat flera gravitationsvågsignaler sedan 2016. Enligt nya uppskattningar baserade på dessa detektioner, det kan finnas så många som 100 miljoner svarta hål bara i Vintergatans galax.

Där binärer förekommer, de har en otrolig mängd rotationsenergi, vilket är resultatet av deras spinn och hur de snabbt kretsar runt varandra. Dessutom, som Kipping noterar, svarta hål kan också fungera som en gravitationsspegel – där fotoner riktade mot kanten av händelsehorisonten kommer att böja sig runt och komma rakt tillbaka vid källan. Som Kipping uttryckte det:

"Så det binära svarta hålet är egentligen ett par gigantiska speglar som cirkulerar runt varandra med potentiellt hög hastighet. Halodriften utnyttjar detta genom att studsa fotoner från "spegeln" när spegeln närmar sig dig, fotonerna studsar tillbaka, driver med dig, men också stjäla en del av energin från det svarta hålets binära själv (tänk på hur en pingisboll som kastas mot en rörlig vägg skulle komma tillbaka snabbare). Med denna inställning, man kan skörda den binära svarta hålsenergin för framdrivning."

Denna framdrivningsmetod erbjuder flera uppenbara fördelar. Till att börja, det ger användarna möjlighet att resa med relativistiska hastigheter utan behov av bränsle, som för närvarande står för huvuddelen av en bärrakets massa. Och det finns många, många svarta hål som finns i hela Vintergatan, som skulle kunna fungera som ett nätverk för relativistiska rymdresor.

Vad mer, forskare har redan sett kraften hos gravitationsslungor tack vare upptäckten av stjärnor med hög hastighet. Enligt forskning från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), dessa stjärnor är ett resultat av galaktiska sammanslagningar och interaktion med massiva svarta hål, som sparkar ut dem ur sina galaxer med en tiondel till en tredjedel av ljusets hastighet – runt 30, 000 till 100, 000 km/s (18, 600 till 62, 000 mps).

Men självklart, konceptet kommer med otaliga utmaningar och mer än några få nackdelar. Förutom att bygga rymdfarkoster som tål att kastas runt händelsehorisonten av ett svart hål, en enorm precision krävs – annars, fartyget och besättningen (om det har en) kan dras isär i det svarta hålet. Dessutom, det är bara frågan om att nå en:

"[Den] sak har en enorm nackdel för oss eftersom vi först måste ta oss till ett av dessa svarta hål. Jag tenderar att tänka på det som ett interstellärt motorvägssystem – du måste betala en engångsavgift för att komma på motorvägen, men när du väl är på, du kan åka över galaxen hur mycket du vill utan att förbruka mer bränsle."

Utmaningen om hur mänskligheten kan gå tillväga för att nå det närmaste lämpliga svarta hålet kommer att bli föremål för Kippings nästa artikel, indikerade han. Och medan en idé som denna är ungefär lika avlägsen för oss som att bygga en Dyson-sfär eller använda svarta hål för att driva rymdskepp, det erbjuder några ganska spännande möjligheter för framtiden.

Kortfattat, konceptet med en gravitationsmaskin för svarta hål presenterar mänskligheten för en rimlig väg att bli en interstellär art. Sålänge, studien av konceptet kommer att ge SETI-forskare en annan möjlig teknosignatur att leta efter. Så tills dagen kommer då vi kan försöka detta själva, vi kommer att kunna se om någon annan art redan har fått det att fungera.