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科学家说,我们可以利用黑洞为星际旅行提供动力

2019-3-14@艾米

在第一批火箭和宇航员被送上太空之前很久,人们就有了一个热切的梦想:有一天前往另一个星系旅行,看看那里有什么。

然而,尽管自太空时代开始以来我们取得了很大的进展,但星际旅行仍然只是一个梦想。虽然已经提出了理论概念,但成本、旅行时间和燃料问题仍然存在很大问题。

目前,许多希望都寄托在利用定向能和光帆将微型航天器推到相对论速度(光速)上。但是,如果有一种方法可以让更大的航天器足够快地进行星际航行呢?

利用黑洞为星际旅行提供动力

据David Kipping(哥伦比亚大学“酷世界”实验室的负责人)说,未来宇宙飞船可以依靠依靠光环驱动,它利用黑洞的引力达到令人难以置信的速度。

Kipping教授在最近的一项在线研究中描述了这一概念。其中,Kipping谈到了空间探索带来的最大挑战, 即派遣宇宙飞船执行在我们太阳系以外进行探索所需的时间和精力。

“星际旅行是我们可以想到的最具挑战性的技术壮举之一。虽然我们可以设想在数百万年的时间里在恒星之间漂流,这是合理的星际旅行;但要在几个世纪或更短的时间尺度上实现旅行,需要相对论的推进。”

正如Kipping所说,相对论推进(或加速到光速的一小部分)在能量方面非常昂贵。

现有的航天器根本没有燃料容量来达到这样的速度,并且没有引爆核弹来产生推力。猎场项目,或者建造一个融合冲压式喷气式飞机(戴达罗斯计划)外,没有太多选择。

近年来,人们的注意力转向了使用光帆和纳米木筏进行星际任务的想法。一个众所周知的例子是“突破星空(Breakthrough Starshot)”,该计划旨在在我们的有生之年内将智能手机大小的宇宙飞船送到半人马座阿尔法。

使用强大的激光阵列,光帆将被加速到光速的20% ,从而使之在20年内完成。

Kipping说“但即使在这里,你也在谈论一些地球焦耳的能量,这是最简单(克质量)的航天器所能想到的。这是连续几周运行的核电站的累计能量输出(我们也没有办法储存这么多能量)!所以这就是为什么很难做到”

对此,Kipping提出了一个被称为“Dyson Slingshot”的修订版,这是一个由尊敬的理论物理学家Freeman Dyson(戴森球体背后的思想) 提出的想法。

戴森球

在1963年出版的《星际通信》(第12章:“引力机”)一书中,Dyson描述了宇宙飞船如何在紧凑的双星周围进行弹射以获得显着的速度提升。

正如Dyson所描述的那样,一艘船将被派遣到一个紧凑的二元系统(两个彼此绕轨道运行的中子星),在那里它将执行重力辅助机动。这将包括宇宙飞船在被甩出系统之前,从二元体的强烈引力中加速——将其自身的两倍旋转速度相加。

虽然在Dyson的时代(现在仍然如此)为了推进而利用这种能量的前景是高度理论化的,但Dyson提出了两个理由,为什么“引力机”值得探索:

“首先,如果我们的物种继续以指数级的速度扩大其人口和技术,那么在遥远的未来可能会有一个时间,天文尺度上的工程可能既可行又必要。其次,如果我们正在寻找宇宙其他地方已经存在的先进技术生命的迹象,那么考虑一种真正先进的技术可能会产生什么样的可观察现象是很有用的。”

简而言之,重力机值得研究以防有一天它们成为可能,并且因为这项研究可以让我们通过这些机器可以产生的技术特征来发现可能的外星智能(ETI)。

在此基础上,Kipping考虑了黑洞 – 尤其是双星对中的黑洞,如何构成更强大的引力弹弓。

这一建议部分基于激光干涉仪引力波观测站(LIGO)最近取得的成功,该观测站自2016年首次探测到引力波信号以来,已经采集了多个引力波信号。

根据最近基于这些探测的估计,仅银河系就多达1亿个黑洞。

在双星出现的地方,它们拥有令人难以置信的旋转能量,这是它们旋转的结果以及它们彼此快速绕行的方式。

此外,正如Kipping所说“黑洞也可以作为引力镜 – 指向事件视界边缘的光子会弯曲并直接返回光源。所以,双星黑洞实际上是一对巨大的镜子,它们以极高的速度围绕着彼此盘旋。光环驱动利用这一点,当镜子靠近你时,光环驱动光子从“镜子”反弹,推动你前进,而且还从黑洞二元体本身中偷取了一些能量(想想一个乒乓球撞在移动的墙壁上会如何更快地回来)。利用这个装置,人们可以获取二元黑洞的推进能量。”

这种推进方法提供了几个明显的优点:

首先,它为用户提供了以相对论速度旅行而不需要燃料的潜力,而燃料目前占运载火箭质量的大部分。银河系中还存在许多黑洞,可以作为相对论太空旅行的网络。

其次,由于超高速恒星的发现,科学家们已经目睹了引力弹弓的威力。

根据哈佛 – 史密森天体物理中心(CFA)的研究,这些恒星是星系合并与大质量黑洞相互作用的结果,导致它们以十分之一到三分之一的光速被踢出星系。

但当然,这一概念伴随着无数的挑战和更多的缺点。

除了建造能够被抛向黑洞的事件视界的宇宙飞船外,还需要大量的精度–否则,船只和船员 (如果有的话) 最终可能会在黑洞的大洞中被拆散。

最重要的是,达到目的的一个简单问题:

“对我们来说,这件事情有很大的不足,因为我们必须首先进入其中一个黑洞。我倾向于把它想象成一个星际高速公路系统 – 你必须支付一次通行费才能上高速公路,但是一旦上了高速公路,你就可以随心所欲地穿越银河系,而不必再消耗任何燃料。”

虽然这样的想法对我们来说就像建造一个戴森球体或者利用黑洞来驱动星际飞船一样遥远,但它确实为未来提供了一些令人兴奋的可能性。

本文源自 sciencealert ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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