Könnten wir Sterne als Raumschiffe verwenden?

Science Fiction ist seit Jahrzehnten ein Inkubator für utopische Visionen von Raumfahrt und extrasolarer Kolonisierung. Jede TV-Show, jeder Roman oder jeder Film bietet eine andere Möglichkeit, die Sterne innerhalb der menschlichen Lebensspanne zu durchqueren, ähnlich wie man ein Auto fahren oder ein Flugzeug von Ort zu Ort fahren kann. Um die Weite des Weltraums in menschlichen Zeitskalen zu erkunden, verwenden diese Geschichten normalerweise eine FTL-Methode (schneller als Licht) an Bord großer Raumschiffe. Viele dieser FTL-Reisemethoden basieren auf wissenschaftlichen Fakten und sind möglicherweise sogar aus heutiger Sicht in der Physik möglich. Sie haben uns zu der Annahme inspiriert, dass wir auf dem besten Weg sind, die Galaxie im nächsten Jahrtausend zu kolonisieren.

Einige Science-Fiction-TV-Shows wie Farscape (links) hatten Schiffe, die FTL-fähig waren, sich selbst zu bewegen, während andere Shows wie Babylon 5 (rechts) sich dafür entschieden, dass ihre Schiffe künstliche Tunnel durch die als Wurmlöcher bekannte Raumzeit nutzen.

Aber was ist, wenn Warp-Laufwerke nicht existieren können? Was ist, wenn Wurmlöcher nicht hergestellt werden können? Was ist, wenn die Gesetze der Physik so streng sind, dass wir tatsächlich für immer an die gefürchtete Lichtgeschwindigkeit gebunden sind? Diese allgegenwärtigen Möglichkeiten scheinen interstellare Reisen innerhalb der menschlichen Lebensspanne zu einer romantischen Fantasie zu machen. Als ich über diesen Gedanken nachdachte, kam mir die Idee: Was wäre, wenn wir andere Sterne als interstellare Raumschiffe verwenden könnten, um uns durch den Kosmos zu befördern?

Hypervelocity-Sterne

Alle Sterne in unserer Galaxie umkreisen das galaktische Zentrum (GC). Sterne, die näher am GC liegen, haben tendenziell höhere Geschwindigkeiten als Sterne, die in den galaktischen Armen weiter außen kreisen. Dies bedeutet, dass Sterne, die relativ nahe beieinander liegen, ähnliche Umlaufgeschwindigkeiten haben sollten. Diese Verteilung ist jedoch nicht perfekt. Aufgrund von Unvollkommenheiten in der Zirkularität von Sternbahnen, die als Exzentrizität bezeichnet werden, können nahe beieinander liegende Sterne sehr unterschiedliche relative Geschwindigkeiten aufweisen. Alpha Centauri zum Beispiel, das mit der Standard-Orbitalgeschwindigkeitsverteilung eine Relativgeschwindigkeit von nur wenigen Metern pro Sekunde haben sollte, weist eine interstellare Geschwindigkeit von 20 km / s in Bezug auf die Sonne auf. Diese Geschwindigkeit ist schneller als das schnellste Raumschiff, das jemals von der Menschheit gestartet wurde. Wenn Sie sich unsere anderen nahe gelegenen Sternnachbarn ansehen, ist Alpha Centauri kein Einzelfall.

Dieses kurze GIF zeigt die vergangenen Bewegungen unseres aktuellen nahe gelegenen Sternviertels rund um den GC. Es wurde im Verlauf der letzten galaktischen Umlaufbahn unserer Sonne (gelber Punkt) auf der Grundlage der aktuellen Umlaufbahnmerkmale dieser Sterne rückwärts extrapoliert.

Die meisten Sterne in unserer heutigen Sterngegend befanden sich vor einer galaktischen Umlaufbahn nicht innerhalb von 1000 Lichtjahren von uns, da sich ihre Umlaufbahnen unterschieden. Wenn Sie sich das GIF oben ansehen, können Sie sehen, dass die Mehrheit der gezeichneten Sterne in einer losen Wolke um die Sonne zu bleiben scheint. Dies sind aus Sicht der Sternenkinematik „normale“ Sterne mit relativen Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 km / s oder weniger. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie sehen, dass einige der Sterne vom Rand des Diagramms zu fliegen scheinen und dann zurückkommen, um den gelben Punkt zu treffen, der unsere Sonne ist. Diese sind als außer Kontrolle geratene Sterne mit relativen Geschwindigkeiten über 100 km / s bekannt. Es gibt jedoch eine Klasse sich schnell bewegender Sterne, die oben nicht dargestellt sind.

Ein Hypervelocity-Stern ist definiert als ein Stern, der die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie überschritten hat. Bei mehreren Hypervelocity-Sternen wurden Geschwindigkeiten von über 1000 km / s erreicht, was 1/3 von 1% der Lichtgeschwindigkeit entspricht! Diese Geschwindigkeit ist schnell genug, um den Durchmesser des Sonnensystems in etwas mehr als 100 Tagen zu durchqueren. Unsere schnellsten Weltraumsonden brauchen Jahrzehnte. Wenn man diesen Geschwindigkeitsunterschied nutzt, kann man große Entfernungen durch den Weltraum zurücklegen, ähnlich wie ein kosmischer Anhalter, indem man vielleicht einen Planeten um einen solchen Stern herum terraformiert und eine Langzeitkolonie errichtet.

Künstlerische Darstellung von US 708 (blau), „The Runaway Star“, mit einer getakteten Radialgeschwindigkeit von über 1200 km / s.

Die Idee ist verlockend. Das Reisen durch den Weltraum auf einem Planeten um einen Stern beseitigt viele der bekannten Gefahren interstellarer Reisen. Kosmische Strahlung, blau verschobenes Licht, Mikrometeoriten und tödliche Ionen würden durch die Schutzatmosphäre und den magnetischen Schutzschild eines Planeten herausgefiltert und aufgehoben. Die Menschen könnten ein normales Alltagsleben auf einem Planeten führen, ohne sich Sorgen machen zu müssen, auf die Annehmlichkeiten eines engen, engen Raumschiffs zu verzichten. Währenddessen würde der Stern von der Sonne weg in unbekannte Teile der Galaxie reisen. In vielerlei Hinsicht scheint es viel praktischer zu sein, als riesige, komplexe interstellare Raumschiffe auszusenden.

Eine detailliertere Analyse bringt jedoch einige unvorhergesehene Probleme ans Licht. Erstens sind die nächsten Hypervelocity-Sterne mehr als 50.000 Lichtjahre entfernt. Wir müssten uns zuerst dorthin begeben, um eine Fahrt anzukuppeln, und wenn Sie die Technologie dazu hätten, könnten Sie das Universum auch einfach auf eigene Faust erkunden. Zweitens sind Hypervelocity-Sterne mit einem geschätzten Wert von nur etwa 1000 in der gesamten Milchstraßengalaxie sehr selten. Selbst wenn es einen seltenen Hypervelocity-Stern gäbe, der in naher Zukunft der Sonne nahe kommt, müssten wir dennoch ein Raumschiff starten, das seiner relativen Geschwindigkeit entspricht. An diesem Punkt könnte man sich fragen, warum wir es nicht getan haben Verwenden Sie diese Geschwindigkeit einfach, um irgendwohin zu gelangen, wo wir eigentlich hin wollen.

Diagramm der Entfernungen nahegelegener Sterne, die in den nächsten 80.000 Jahren extrapoliert wurden. Wenn wir in 10.000 Jahren einen Planeten um Barnards Stern terraformieren würden (am nächsten), könnten wir in weiteren 25.000 Jahren ~ 10 Lichtjahre durchqueren. Hypervelocity-Sterne könnten Sie gleichzeitig um eine Größenordnung weiter bringen, aber sie sind selten.

Darüber hinaus haben Hypervelocity-Sterne aufgrund ihrer Existenz möglicherweise nicht einmal ihre eigenen Planeten. Hypervelocity-Sterne existieren nur aufgrund enger Begegnungen mit Schwarzen Löchern oder anderen dichten Objekten, was sie zunächst mit so hohen Geschwindigkeiten abschickte. Es wäre unwahrscheinlich, dass die meisten Planetensysteme eine solche Begegnung ungestört überleben würden. Selbst wenn Sie stattdessen einen näheren, langsameren Stern verwenden möchten, um den Kosmos zu bereisen, ist es wichtig zu bedenken, dass 1/3 von 1% der Lichtgeschwindigkeit im kosmischen Maßstab nicht sehr schnell ist. Selbst bei dieser erstaunlichen Geschwindigkeit würde es noch weit über ein Jahrtausend dauern, um die Entfernung zu Alpha Centauri zurückzulegen. Ein langsamerer Stern würde noch länger dauern.

Shkadov-Motoren (Sternmotoren)

Künstlerische Wiedergabe eines Shkadov-Motors; eine alternative Methode zur Verwendung von Sternen als Raumschiffe.

Wenn Ihr Ziel stattdessen darin bestand, Ihren Heimatstern als Raumschiff zu verwenden, befinden Sie sich möglicherweise auf dem Weg zu einer viel schwierigeren, wenn auch etwas vielseitigeren Anwendung des Sternantriebs. 1987 schlug der Physiker Leonid Shkadov vor, dass fortgeschrittene Zivilisationen die Galaxie möglicherweise bequem von ihrem Heimatsternsystem aus mit einem sogenannten „Sternmotor“ erkunden könnten. Wie die Dyson-Sphäre erbte sie den Namen ihres Schöpfers.

Ein Shkadov-Motor besteht aus drei Komponenten: einem Stern, einem Dyson-Schwarm und einem massiven statischen Reflektor. Der Dyson-Schwarm (wie ich bereits in einem früheren Beitrag erwähnt habe) wird nur zur Energiegewinnung verwendet, um die fortschreitende Zivilisation anzutreiben. Die wahre Magie geschieht zwischen dem Reflektor und dem Stern. Der Reflektor befindet sich in einem Goldlöckchen-Abstand, in dem der Strahlungsdruck des Sonnenwinds nach außen gleich der nach innen gerichteten Gravitationskraft der Masse des Heimatsterns ist. Dies macht den Reflektor in Bezug auf den Stern stationär. Die Kraft, einen Bruchteil des Lichts eines Sterns in eine Richtung zu reflektieren, treibt den Stern jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Es ist nicht viel (relativ zur Masse eines Sterns), aber im Laufe einer langen Zeit kann sich diese kontinuierliche Kraft zu einer nennenswerten Geschwindigkeit summieren. Aufgrund der immensen Zeitskalen würde das Planetensystem des Sterns friedlich mit dem Stern mitgerissen, wenn er durch den Weltraum beschleunigt, was im Wesentlichen das gesamte Sonnensystem zu einem interstellaren Raumschiff macht.

Ein Sternmotor vom Typ C von unten gesehen, der als Hybrid zwischen einem Sternmotor vom Typ A und einem Sternmotor vom Typ B definiert ist. Ein Sternmotor vom Typ A kann durch das Vorhandensein des Riesenreflektors identifiziert werden, und ein Sternmotor vom Typ B wird von den Dyson-Schwärmen um den Stern definiert, um Energie zu sammeln.

Jede Zivilisation, die es wagt, ein solches Projekt durchzuführen, hätte es nicht eilig, irgendwohin zu gelangen. Für einen sonnenähnlichen Stern, bei dem die Hälfte seines Lichts nach hinten reflektiert wird, würde dem System eine Beschleunigung von 6,4 * 10 ^ -13 m / s² auferlegt. Das ist unglaublich langsam. Im Laufe einer Million Jahre würde ein solcher Motor nur etwa 0,03 Lichtjahre zurücklegen und eine Geschwindigkeitsänderung von etwa 20 m / s erreichen; nicht schneller als ein Auto auf einer Autobahn. Nach einer Milliarde Jahren könnte das System möglicherweise 20 km / s erreichen und Zehntausende von Lichtjahren von seiner ursprünglichen Umlaufbahn aus zurücklegen. Für die Menge an Material, Energie und Zeit, die für den Bau einer solchen Megastruktur erforderlich ist, wäre dies jedoch auch eine unelegante Lösung für die galaktische Erforschung.

Ein Beispiel, bei dem ein Shkadov-Motor praktischer sein könnte, ist die Erhaltung des Heimatplaneten einer Spezies. Vielleicht weiß eine schnell fortschreitende Spezies, dass ihr Heimatstern innerhalb weniger hundert Millionen Jahre zu einem roten Riesen aufblähen wird, und möchte ihren Heimatplaneten um einen neuen Stern legen, um das Relikt ihrer Geschichte zu bewahren. Mit einem Shkadov-Motor, der für eine Kardatschow-Zivilisation vom Typ III leicht herzustellen wäre, könnten diese Arten ihr Heimsystem langsam zu einem anderen, jüngeren Stern führen. Dort könnten sie eine ausgefallene Orbitaldynamik verwenden, um ihren Planeten in sicherer Entfernung um den neuen Stern zu platzieren. Wenn der Sternmotor fertig ist, könnte er den sterbenden Stern weiter weit vom neuen Sternensystem wegschieben, so dass er in sicherer Entfernung explodieren kann.

Fazit

Leider ist die Verwendung von Sternen zur Erkundung der Galaxie langsam und mühsam, egal wie Sie sie in Scheiben schneiden. Sterne sind einfach zu massiv, um für interstellare Reisen auf menschlichen Zeitskalen leicht manipuliert zu werden. Hypervelocity-Sterne sind selten und weit entfernt, und um sie zu erreichen, ist dieselbe Fähigkeit erforderlich, die wir uns von ihnen erhoffen würden. Shkadov-Motoren mögen in ferner Zukunft bestimmte spezifische Anwendungen haben, aber ab sofort scheint unser Fortschritt nach außen und in den Kosmos durch unsere eigene Technologie begrenzt zu sein.

Das mag entmutigend klingen, aber ich hoffe, dass die Menschheit eines Tages ihren Platz unter den Sternen finden wird. Die Natur hat einige strenge Grundregeln aufgestellt, die wir in Bezug auf die Raumfahrt befolgen müssen. Es ist unsere Pflicht als Spezies, diese Regeln so weit wie möglich zu biegen, damit wir das Universum entdecken können, damit wir dabei mehr über unseren eigenen Ursprung erfahren können. Das Herumfliegen des Kosmos in großen Raumschiffen mit Warp-Antrieben mag sich als unmöglich herausstellen, und Lenksterne mögen unpraktisch sein, aber diese Rückschläge können die Menschheit nicht davon abhalten, das zu tun, wozu sie immer bestimmt war: zu erforschen.