Könnten wir Sterne als Raumschiffe verwenden?

Science Fiction ist seit Jahrzehnten ein Inkubator für utopische Visionen von Raumfahrt und extrasolarer Kolonialisierung. Jede Fernsehsendung, jeder Roman oder jeder Film bietet eine andere Möglichkeit, die Sterne innerhalb der menschlichen Lebensspanne zu durchqueren, ähnlich wie man ein Auto fährt oder ein Flugzeug von Ort zu Ort reist. Um die Weite des Weltraums in der menschlichen Zeitskala zu erkunden, verwenden diese Geschichten normalerweise eine FTL-Methode (schneller als Licht) an Bord von großen Raumschiffen. Viele dieser Methoden des FTL-Reisens basieren auf wissenschaftlichen Erkenntnissen und sind möglicherweise sogar von einem modernen Standpunkt aus in der Physik möglich. Sie haben uns inspiriert zu glauben, dass wir auf dem besten Weg sind, die Galaxie innerhalb des nächsten Jahrtausends zu kolonisieren.

Einige Science-Fiction-Fernsehsendungen wie Farscape (links) hatten Schiffe, die selbstständig FTL-fähig waren, während andere Shows wie Babylon 5 (rechts) beschlossen, ihre Schiffe künstliche Tunnel durch die als Wurmlöcher bekannte Raumzeit fahren zu lassen.

Was aber, wenn Warp-Laufwerke nicht existieren können? Was ist, wenn Wurmlöcher nicht herstellbar sind? 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 eine Idee: Was wäre, wenn wir andere Sterne als interstellare Raumschiffe verwenden könnten, um uns selbst durch den Kosmos zu befördern?

Hypervelocity Stars

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 umkreisen. Dies bedeutet, dass Sterne, die relativ nahe beieinander liegen, ähnliche Umlaufgeschwindigkeiten haben sollten. Diese Verteilung ist jedoch nicht perfekt. Aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Zirkularität von Sternbahnen, die als Exzentrizität bezeichnet werden, können Sterne, die sich in der Nähe befinden, sehr unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten aufweisen. Alpha Centauri zum Beispiel, das bei normaler Umlaufgeschwindigkeitsverteilung 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 die schnellste Raumsonde, die jemals von der Menschheit gestartet wurde. Wenn Sie sich unsere anderen Nachbarn in der Nähe ansehen, ist Alpha Centauri kein Einzelfall.

Dieses kurze GIF zeigt die Bewegungen der Vergangenheit in unserer aktuellen Nachbarschaft 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 Sternnachbarschaft befanden sich nicht innerhalb von 1000 Lichtjahren vor einer galaktischen Umlaufbahn, da sich ihre Umlaufbahnen unterschieden. Wenn Sie sich das GIF oben ansehen, können Sie sehen, dass die Mehrheit der Sterne in einer losen Wolke um die Sonne zu bleiben scheint. Dies sind aus Sicht der Sternkinematik „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 wieder in die Richtung rasen, um den gelben Punkt zu treffen, der unsere Sonne ist. Diese sind als durchgeknallte Sterne mit relativen Geschwindigkeiten über 100 km / s bekannt. Aber es gibt eine Klasse sich schnell bewegender Sterne, die oben nicht eingezeichnet sind.

Ein Hypervelocity-Stern ist ein Stern, der die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie überschritten hat. Bei mehreren Hypervelocity-Sternen wurden Geschwindigkeiten von über 1000 km / s gemessen, 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 durchlaufen. Unsere schnellsten Weltraumsonden brauchen Jahrzehnte. Durch Ausnutzen dieses Geschwindigkeitsunterschieds könnte man große Entfernungen durch den Raum zurücklegen, ähnlich wie bei einem kosmischen Anhalter, indem man vielleicht einen Planeten um einen solchen Stern herum terraformt und eine langfristige Kolonie errichtet.

Künstlerische Darstellung von US 708 (blau),

Die Idee ist verlockend. Reisen durch den Weltraum auf einem Planeten um einen Stern herum eliminieren viele der bekannten Gefahren des interstellaren Reisens. Kosmische Strahlung, blau verschobenes Licht, Mikrometeoriten und tödliche Ionen würden durch die Schutzatmosphäre und den magnetischen Schutzschirm eines Planeten herausgefiltert und aufgehoben. Die Menschen konnten ein normales Alltagsleben auf einem Planeten führen, ohne auf die Annehmlichkeiten eines engen Raumschiffs verzichten zu müssen. Währenddessen würde der Stern von der Sonne in unbekannte Teile der Galaxie fliegen. 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 nächstgelegenen Hypervelocity-Sterne mehr als 50.000 Lichtjahre entfernt. Wir müssten uns zuerst dorthin begeben, um einen Ritt zu machen, 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 dicht an der Sonne vorbeigehen würde, müssten wir dennoch ein Raumschiff starten, das der relativen Geschwindigkeit entspricht. An diesem Punkt könnte man fragen, warum wir dies nicht getan haben Nutze einfach diese Geschwindigkeit, um irgendwohin zu gehen, wo wir eigentlich hin wollen.

Diagramm der Entfernungen benachbarter Sterne, extrapoliert über die nächsten 80.000 Jahre. Wenn wir in 10.000 Jahren einen Planeten um Barnards Stern herum terraformieren würden (am nächsten), könnten wir bei weiteren 25.000 Jahren ~ 10 Lichtjahre durchqueren. Hypervelocity-Sterne könnten Sie in der gleichen Zeit 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 überstehen würden. Selbst wenn Sie stattdessen einen näheren, langsameren Stern verwenden möchten, um den Kosmos zu bereisen, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, 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 nach Alpha Centauri zurückzulegen. Ein langsamerer Stern würde noch länger dauern.

Shkadov-Motoren (Sternmotoren)

Interpretation eines Shkadov-Motors durch einen Künstler; eine alternative Methode zur Verwendung von Sternen als Raumschiffe.

Wenn Ihr Ziel stattdessen darin bestand, Ihren Heimatstern als Raumschiff zu verwenden, könnten Sie sich auf dem Weg zu einer viel schwierigeren, wenn auch etwas vielseitigeren Anwendung von Sternantrieben befinden. 1987 schlug der Physiker Leonid Shkadov vor, dass fortgeschrittene Zivilisationen in der Lage sein könnten, die Galaxie bequem von ihrem Heimatsternsystem aus mit einem so genannten "Sternmotor" zu erkunden. Wie die Dyson-Sphäre erbte sie schließlich 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 voranschreitende Zivilisation zu stärken. Die wahre Magie geschieht zwischen dem Reflektor und dem Stern. Der Reflektor befindet sich in einer Entfernung von Goldlöckchen, in der der Strahlungsdruck des Sonnenwinds nach außen der Gravitationskraft der Masse des Heimatsterns entspricht. Dies macht den Reflektor in Bezug auf den Stern stationär. Die Kraft, einen Teil des Lichts eines Sterns in eine Richtung zu reflektieren, treibt den Stern jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Es ist nicht viel (im Verhältnis zur Masse eines Sterns), aber im Laufe einer langen Zeit kann sich diese kontinuierliche Kraft zu einer bemerkenswerten Geschwindigkeit summieren. Aufgrund der immensen Zeitskalen würde das Planetensystem des Sterns friedlich mit dem Stern mitgerissen werden, wenn er sich durch den Weltraum beschleunigt, was 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 herum definiert, um Energie zu sammeln.

Jede Zivilisation, die es wagt, ein solches Projekt durchzuführen, würde es nicht eilig haben, irgendwohin zu gelangen. Für einen sonnenähnlichen Stern, dessen Licht zur Hälfte nach hinten reflektiert wird, würde dem System eine Beschleunigung von 6,4 * 10 ^ -13 m / s² auferlegt. Das ist unglaublich langsam. Im Laufe von einer Million Jahren 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 eine Geschwindigkeit von 20 km / s erreichen und Zehntausende von Lichtjahren von seiner ursprünglichen Umlaufbahn zurücklegen. Angesichts der Menge an Materialien, Energie und Zeit, die für den Bau einer solchen Megastruktur erforderlich sind, wäre auch dies 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 voranschreitende Spezies, dass sich 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, den eine Typ-III-Kardachev-Zivilisation leicht herstellen könnte, könnten diese Arten ihr Heimatsystem langsam auf einen anderen, jüngeren Stern lenken. Dort könnten sie eine ausgefallene Orbitaldynamik einsetzen, um ihren Planeten in sicherer Entfernung um den neuen Stern zu platzieren. Wenn es fertig ist, könnte der Sternmotor den sterbenden Stern weiterhin weit vom neuen Sternensystem entfernen, so dass er in sicherer Entfernung explodieren kann.

Fazit

Leider ist es langsam und mühsam, Sterne zu verwenden, um die Galaxie zu erkunden. Sterne sind einfach zu massiv, um sie für interstellare Reisen auf menschlichen Zeitskalen leicht zu manipulieren. Hypervelocity-Sterne sind selten und weit entfernt, und um zu ihnen zu gelangen, ist dieselbe Fähigkeit erforderlich, die wir von ihnen erhoffen. 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 uns strenge Grundregeln für die Raumfahrt auferlegt. Es ist unsere Pflicht als Spezies, diese Regeln so weit wie möglich zu ändern, damit wir das Universum entdecken und dabei mehr über unseren eigenen Ursprung erfahren können. In großen Raumschiffen mit Warp-Antrieben durch den Kosmos zu rasen, 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.