När det kommer till utmaningarna från interstellära resor, det finns inga enkla svar. Avstånden är enorma, mängden energi som behövs för att göra resan är enorm, och de inblandade tidsskalorna är (ingen ordlek!) astronomiska. Men tänk om det fanns ett sätt att resa mellan stjärnor med hjälp av fartyg som utnyttjar naturfenomen för att nå relativistiska hastigheter (en bråkdel av ljusets hastighet)?

Redan, Forskare har identifierat situationer där objekt i universum kan göra detta - inklusive hyperhastighetsstjärnor och meteorer som accelereras av supernovaexplosioner. Fördjupar i detta ytterligare, Harvardprofessorerna Manasvi Lingam och Abraham Loeb undersökte nyligen hur interstellära rymdfarkoster kunde utnyttja vågorna som produceras av en supernovaexplosion på samma sätt som segelfartyg utnyttjar vinden.

Studien som beskriver deras forskning, "Framdrivning av rymdfarkoster till relativistiska hastigheter med hjälp av naturliga astrofysiska källor, " nyligen dök upp online och var också föremål för en artikel på Scientific American . Som de förklarar i sin studie, det är möjligt att en tillräckligt avancerad civilisation skulle kunna använda explosioner av energi som frigörs av supernovor för att accelerera rymdfarkoster till relativistiska hastigheter.

Dessa rymdfarkoster skulle kunna utnyttja den explosiva kraften med hjälp av ett lätt segel (AKA ett solsegel) eller ett magnetiskt segel, två framdrivningskoncept som har utforskats ingående av astrofysiker. Dessa koncept förlitar sig på den elektromagnetiska strålningen som genereras av solen för att skapa tryck mot ett starkt reflekterande segel, genererar därmed framdrivning på ett sätt som inte kräver motorer eller drivmedel.

Eftersom drivmedel är en av de viktigaste bidragsgivarna till en rymdfarkosts totala massa, lätta segel/magnetiska segelkoncept har fördelen av att vara mycket lättare än konventionella rymdfarkoster – och därför mycket billigare att skjuta ut i rymden. En annan möjlighet är att förlita sig på riktad energi (lasrar) för att accelerera den här typen av rymdfarkoster, gör det möjligt för den att uppnå mycket högre hastigheter än vad som skulle vara möjligt med enbart solstrålning.

Prof. Loeb, som förutom att vara Frank D. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard University, är också ordförande för Breakthrough Starshots rådgivande kommitté. Som en del av den ideella organisationen Breakthrough Initiatives, Starshot arbetar för närvarande med att skapa ett lätt segel som skulle accelereras av lasrar till en hastighet av 20 % av ljusets hastighet – vilket gör det möjligt för den att ta sig till Alpha Centauri på bara 20 år.

Som Loeb sa till Universe Today via e-post, det var när han funderade över hur en sådan rymdfarkost kunde accelereras naturligt som tanken på att använda supernova kom upp för honom:

"Tillbaka i december 2019, min fru och två döttrar var på resa och jag hade lyxen att stanna hemma ensam i en vecka och tänka på vetenskap. När du duschar, Jag tänkte på hur solen inte är effektiv på att sjösätta lätta segel i hög hastighet, men en ljusare ljuskälla kan vara. Jag följde denna tanke med detaljerade beräkningar av supernovor, som är miljarder gånger ljusare än solen under en vecka, och insåg att ljussegel med befintliga parametrar kan nå ljusets hastighet om de placeras strategiskt i förväg runt den massiva stjärnan som är på väg att explodera."

Ursprungligen, Loeb förklarade denna idé i en artikel som dök upp i Scientific American den 6 februari, 2020, med titeln "Surfa en supernova". Den ursprungliga artikeln finns också tillgänglig på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) webbplats. Som han argumenterade där, en supernova skulle kunna accelerera ett lätt segel som väger "mindre än ett halvt gram per kvadratmeter till relativistiska hastigheter, " även om det var miljontals kilometer bort.

Enkelt uttryckt, energin och ljusstyrkan som genereras av en supernova motsvarar vad en miljard solar skulle producera under en genomsnittlig månad. Medan solvinden bara skulle kunna driva ett lätt segel upp till en tusendel av ljusets hastighet (0,01 % eller 0,001 c), en supernova skulle lätt kunna accelerera ett segel till en tiondel av ljusets hastighet (0,1 c).

"Min samarbetspartner, Manasvi Lingam, såg min kommentar och föreslog att vi skulle skriva en fullfjädrad vetenskaplig artikel om ämnet som undersöker möjligheten att skjuta upp lätta segel till ljusets hastighet runt andra ljuskällor, också, som svarta hål eller pulsarer, " sa Loeb. "Jag delade mina anteckningar med honom och de sådde vårt samarbetspapper."

För att testa denna hypotes, Lingam och Loeb funderade på hur ett lätt segel skulle kunna accelereras genom explosionen av ett antal astrofysiska objekt. Detta inkluderade massiva stjärnor, mikrokvasarer, supernovor, pulsarvindsnebulosor, och aktiva galaktiska kärnor. Som Lingam, vem var huvudförfattaren på den resulterande uppsatsen, förklarade för Universe Today via e-post:

"Vi utvecklade matematiska modeller för att bestämma den maximala hastighet som kan uppnås med lätta segel och elektriska segel. De maximala hastigheterna varierade beroende på vilket framdrivningssystem som användes, såväl som de astrofysiska objekten i beaktande."

För alla som har råd, fördelarna med detta tillvägagångssätt är uppenbara. Jämfört med konventionella lätta segel och magnetsegel, ett segel som drar fördel av den förstärkning som en exploderande stjärna ger skulle kunna nå relativistiska hastigheter utan behov av dyr infrastruktur (d.v.s. en stor laseruppsättning).

Självklart, nackdelarna med en sådan metod är också uppenbara. Till att börja, det är frågan om timing. Inte bara är supernovor en sällsynt företeelse; forskare kan inte exakt förutsäga dem med något annat än en stor felmarginal - ofta miljontals år. Den som hoppas kunna dra fördel av exploderande stjärnor skulle behöva kunna göra mer exakta uppskattningar och vara beredd att vänta väldigt länge.

Men som Lingam och Loeb utforskade, nackdelarna går utöver detta till att inkludera de särskilda farorna som skapas av supernovor. Som Loeb indikerade:

"De största utmaningarna är friktionen med den omgivande gasen, som kan vara tät i närheten av en massiv stjärna på grund av massförlust av vindar. Man kan övervinna utmaningen genom att vika seglet under hela resan förutom under uppskjutningsperioden då seglets öppning kan utlösas av supernovaljusblixten."

Dessutom, det finns ingenjörs- och designutmaningar som skulle behöva åtgärdas i förväg. Först, seglen måste vara gjorda av högreflekterande material för att undvika att absorbera för mycket värme och brinna upp. Andra, de skulle också behöva placeras i en vikt konfiguration tills stjärnan exploderar för att förhindra att de trycks bort från sin startpunkt av solstrålning.

Till sist, seglets accelerationsbana måste väljas noggrant i förväg för att undvika eventuella hinder och minimera risken för kollision med stora föremål (som asteroider). Slutligen, själva seglet måste ha någon typ av skärmning eller konfiguration för att skydda det från gas och fasta partiklar i det interstellära rymden. Med tanke på att seglet kommer att färdas med en otroligt hög hastighet, även de minsta partiklarna skulle utgöra en extrem kollisionsrisk.

Som Lingam förklarade, deras resultat visar att dessa utmaningar är överkomliga:

"Det finns många utmaningar som segelstabilisering, bibehålla hög reflektans och förhindra uppvärmning, och undvika skador under färd i källmiljön såväl som det interstellära mediet. De flesta av dessa problem kan övervinnas, åtminstone i princip, genom att använda elektriska segel istället för lätta segel. Alternativt om man bestämmer sig för att hålla fast vid lätta segel, då måste man vika seglet under vissa skeden av resan, välj en ovanlig segelarkitektur, och lita på nanofotoniska strukturer för att förbättra stabiliteten."

Kortfattat, deras resultat visar att en tillräckligt avancerad art skulle vara kapabel att placera lätta segel/magnetiska segel runt döende stjärnor så att de skulle kunna accelereras när stjärnan exploderar. Dessa segel skulle kunna fungera som budbärare, demonstrerar existensen av avancerade civilisationer genom att resa till bebodda stjärnsystem.

I det här avseendet, genomförbarheten av detta interstellära koncept kan få konsekvenser i den pågående Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI). Som Loeb och kollegor har hävdat i tidigare studier, möjligheten till riktad energiframdrivning innebär att felaktiga blixtar av laseraktivitet kan tolkas som ett tecken på teknisk aktivitet (AKA technosignatures).

"Detta konceptuella paradigm återspeglar andan i Dyson-sfärerna, megastrukturerna hypotesen av Freeman Dyson för att skörda energin från stjärnor som sannolikt inte kommer att explodera, " sa Loeb. "Om vi ​​har turen att ha många tekniska civilisationer i vår galax, det kan finnas svärmar av lätta segel runt massiva stjärnor, väntar tålmodigt på deras explosioner."

"När du söker efter teknosignaturer, vårt arbete tyder på att man kan leta i närheten av astrofysiska högenergikällor som supernovor och kvasarer för radiosignaler, etc, " tillade Lingam. "Självklart, sannolikheten för framgång är helt beroende av om sådana avancerade teknikarter existerar - det här är en fråga som vi inte har något svar på ännu."

För närvarande, det ser ut som om Fermi Paradox kommer att hålla ut ett tag till. Men med fler saker att hålla utkik efter, och med nästa generations teleskop som kommer online mycket snart, vi är väl rustade för att hitta bevis på utomjordisk intelligens (om det finns någon att hitta).