Starshot: звезды становятся ближе

Много лет астрономы с надеждой наводили все более и более совершенные инструменты на ближайшую к Солнцу звезду, исследуя ее в различных спектральных диапазонах и надеясь обнаружить в ее окрестностях планетоподобный спутник. После длительных безрезультатных поисков было объявлено об отсутствии планет в системе, состоящей из трех гравитационно связанных компонентов α Центавра A, α Центавра B и Проксима Центавра (в нашу эпоху их взаимное расположение таково, что ближайшей к нам является Проксима, удаленная от нас на 4,24 световых года или почти на 40 трлн км). Но с каждым скачком в развитии наблюдательной техники упрямые исследователи возобновляли свои поиски… И вот, наконец, их упорство было вознаграждено.

Несколько лет назад астрономы сообщили об открытии потенциально пригодной для жизни землеподобной планеты, обращающейся вокруг красного карлика Проксимы Центавра (она получила обозначение Proxima b).

Это открытие, естественно, взбудоражило научное сообщество и подняло новую волну энтузиазма в поисках ответа на вопросы: как туда добраться максимально быстро и исследовать этот новый мир, обитаема ли найденная экзопланета, а если нет — существуют ли там условия для зарождения жизни и сможет ли этот «космический остров» служить пристанищем для земных переселенцев в будущем?

Пройдет время — и наука, несомненно, получит ответы на эти вопросы. А пока специалисты с новыми силами занялись поисками способов отправить туда научные приборы.

За несколько месяцев до открытия экзопланеты Proxima b группа ведущих ученых и бизнесменов сделала первый шаг в направлении практической реализации идеи посещения окрестностей ближайшей звезды и анонсировала проект Breakthrough Starshot — научно-исследовательскую и инженерную инициативу в рамках программы Breakthrough Initiatives по разработке концепции флота космических кораблей StarChip, использующих в качестве движущей силы световой парус. Проект получил стартовое финансирование в размере 100 млн долларов США от российского предпринимателя Юрия Мильнера и генерального директора Facebook Марка Цукерберга. Мильнер оценивает окончательную стоимость миссии в пределах от 5 до 10 млрд долларов и предполагает, что первый аппарат можно будет запустить через 20 лет. После обнаружения планеты у Проксимы Центавра проект приобрел еще большую актуальность.

Предстоящее путешествие не будет легким. Несмотря на название Проксима (лат. proxima — «ближайшая»), эта звезда почти в 2 тыс. раз дальше от Солнца, чем Плутон — самый далекий объект, достичь которого автоматическим посланцам человечества удалось за всю его историю.

Чтобы добраться до нее в течение человеческой жизни, зонд должен иметь скорость в одну пятую скорости света и преодолеть полный опасностей путь сквозь невидимые скопления космической пыли, находясь под постоянным интенсивным воздействием потоков высокоэнергетических заряженных частиц в нашей собственной Солнечной системе и межзвездном пространстве. Непростой задачей будет и сбор научной информации о самой экзопланете при сближении с ней: поскольку возможность торможения аппарата проектом не предусмотрена, исследовать ее придется при относительной скорости около 60 тыс. км/с. Еще четыре года понадобится, чтобы полученная информация достигла наземных приемников. Все это в сумме потребует небывалых интеллектуальных усилий, но участники проекта утверждают, что он вполне реален, и в настоящее время неуклонно приближаются к его воплощению.

Другие группы также разрабатывают подобные проекты экспедиций к ближайшим звездам, но ни одна из них не обладает таким «первоначальным импульсом» (главным образом финансовым). Даже астрофизики, не участвующие в проекте Starshot, согласны, что это наиболее реальный шанс осуществления межзвездной миссии в ближайшие несколько десятилетий, и особенно ценными для успеха этого потенциально исторического события будут наработки целых поколений ученых, ранее опубликовавших множество концептуальных вариантов дальних космических путешествий. «Создатели Starshot позаимствовали из этих проектов лучшие принципиальные положения и на их основе задумали нечто новое и уникальное», — прокомментировал ситуацию астрофизик из Колумбийского университета в Нью-Йорке Калеб Шарф (Caleb Scharf, Columbia University, New York), не принимающий непосредственного участия в проекте.

Инициаторы миссии предполагают приступить к финансированию проектов в области развития необходимых технологий в течение нескольких месяцев. На подготовку запуска флота крошечных зондов, ускоряемых «батареей» наземных лазеров, потребуется около 20 лет, и еще столько же — чтобы достичь Проксимы Центавра.

Запуск

Первым по-настоящему сложным шагом в любой миссии за пределы Солнечной системы является ускорение космического аппарата до межзвездных скоростей. Обычные химические ракеты для этого категорически не подходят: они не могут взять с собой достаточного количества энергии в виде топлива, говорит астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипп Любин (Philip Lubin, University of California, Santa Barbara), член научного совета проекта.

Starshot для этих целей будет использовать энергию фотонов. С начала XX века ученые знают, что свет оказывает давление на материальные объекты и может придавать им ускорение. Исследователи из Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) и Планетного общества продемонстрировали это в космосе, запустив аппараты с большими солнечными парусами. Однако мощности излучения Солнца недостаточно для ускорения космического корабля, летящего к Проксиме Центавра: для этого ему будет нужен огромный, громоздкий, а значит — слишком тяжелый парус.

Пит Уорден (Pete Worden), исполнительный директор проекта Starshot, рассказывает, что было рассмотрено более 20 вариантов перспективных движителей для полетов за пределы Солнечной системы, но практически все они оказались «вне конкурса», не выдержав критики. В конце концов, выбор пал на вариант, в основу которого заложено использование излучения лазера для ускорения небольшого легкого паруса. Этот способ предложил Филип Любин, подготовив в 2015 г. концептуальную дорожную карту путешествия к Проксиме Центавра продолжительностью в 20 лет.

План полета предусматривает использование обычных ракет для отправки «парусника» на околоземную орбиту. Затем поток излучения, испускаемый установленным на поверхности Земли лазерным массивом мощностью в 100 гигаватт, будет направлен на парус непрерывно в течение нескольких минут. Этого времени должно быть достаточно для того, чтобы разогнать его до скорости в 60 тыс. км/с.

Основатели проекта Starshot откровенно признают, что они рассчитывают на прорыв в технологии производства лазеров. Совокупная мощность лазерного массива должна достигать сотни гигаватт, что в миллион раз превышает возможности самых мощных современных непрерывно действующих (не импульсных) излучателей, которые пока не способны преодолеть планку даже в сотни киловатт.

Один из путей обойти этот мощностной барьер заключается в использование сотен миллионов лазерных лучей, объединенных в один массив, причем все лазеры должны работать синфазно друг с другом, чтобы их индивидуальные мощности суммировались, а не взаимно гасились в результате интерференции. Создание столь сложного массива из множества единичных излучающих элементов — в настоящее время самая сложная технологическая задача, требующая проведения огромного объема опытно-конструкторских работ, поэтому, как уже говорилось, большие надежды ученые возлагают на совершенствование лазерных технологий.

Зонд

«Межзвездные парусники» Starshot будут выглядеть весьма необычно, совершенно не напоминая традиционные космические аппараты. Представьте себе небольшой набор электронных датчиков, двигателей, телекамер и батарей на тонком чипе размером около сантиметра в центре круглого или квадратного сверхтонкого паруса поперечником около 4 м и общим весом не более грамма. Чем легче «корабль», тем большее ускорение может придать ему падающий на него лазерный луч.

Для того, чтобы максимально увеличить это ускорение и минимизировать риски повреждения сверхмощным излучением, парус должен обладать исключительной прочностью и отражательной способностью. Подходящие материалы уже существуют в виде тонких слоев электроизолирующих композитов, способных отражать до 99,999% падающего на них света (значение, близкое к пороговому). Следовательно, необходимо увеличить производство таких экзотических материалов, а также снизить их стоимость. Более того, нужно детально изучить, как они будут реагировать на световой поток сверхвысокой интенсивности, который может вызывать непредсказуемые оптические эффекты.

Хронология миссии

В фазе ускорения парус должен иметь строго заданную форму и ориентацию по отношению к направлению лазерного луча, активно воспринимая поток излучения и компенсируя искажения его фронта, благодаря чему зонд будет держаться на нужном курсе. Даже небольшое отклонение на ранней стадии может отправить его по совершенно другой траектории. Один из способов стабилизации паруса заключается в том, чтобы заставить его быстро вращаться. JAXA уже продемонстрировало эту технологию при управлении своим аппаратом IKAROS, поэтому такой метод можно использовать и в будущем.

Вне зависимости от конструкции, парус должен быть весьма прочным для того, чтобы выдерживать сильнейшие нагрузки со стороны светового потока. Уорден отмечает, что сравнимые перегрузки реально возникают только при испытаниях артиллерийских систем и снарядов, с тем отличием, что в последнем случае процессы весьма быстротечны (временные масштабы в пределах долей секунды), а лазерный луч будет «испытывать прочность» паруса в течение многих минут.

Starshot весьма привлекателен и своей стоимостью. Космический аппарат будет небольшим и сравнительно дешевым — такие зонды можно, например, запускать по одному каждый день, поэтому ситуация с потерей некоторого их количества выглядит некритичной.

Разработка зондов будет проходить поэтапно. На первом этапе предстоит создание прототипа, который сможет разгоняться лазером до скорости примерно 1000 км/с (менее 2% от скорости «полноценного» аппарата). Данный этап обойдется конструкторам не менее чем в полмиллиарда долларов.

Перелет

Лазеры выключатся через несколько минут после того, как аппарат достигнет расчетной скорости, при этом он удалится от нас на 3-4 млн км — это примерно в 10 раз больше расстояния от Земли до Луны. Следующие 20 лет будут весьма скучными. Самыми большими неприятностями могут стать серьезные повреждения при столкновении с пылинками, атомами водорода и другими частицами в межзвездной среде. Еще один источник опасности — космические лучи (атомные ядра, пронзающие пространство со скоростями, близкими к скорости света, и способные нанести существенный урон бортовой электронике). Никто не знает точно, сколько частиц содержится в межзвездном пространстве, каковы их размеры и масса, но разработчики Starshot планируют защитить свой «корабль» от возможных столкновений, покрыв его переднюю кромку миллиметровым слоем материала, в состав
которого входит бериллиевая бронза.

Даже если аппарат благополучно избежит этих неприятностей и останется в целости и сохранности после 20 лет пути, такие столкновения могут повлиять на траекторию его полета. Поэтому в состав бортового оборудования должны быть включены системы навигации и управления, а также источник питания — легкий генератор, работающий на радиоактивном изотопе типа плутония-238 (по сути, ядерная батарея). Более того, все эти системы должны базироваться на элементарном искусственном интеллекте, способном отслеживать положение зонда относительно звезд и, в случае необходимости, проводить коррекцию курса с помощью фотонных двигателей малой тяги. Разработчики миссии, при всем своем желании, не могут избежать всех рисков, особенно со стороны неизвестных объектов в межзвездной среде. Вот почему они рассматривают возможность запуска поисково-разведочных зондов, как только будет создан прототип двигательной системы. Такие зонды могли бы провести предварительное «прощупывание» пространства в окрестностях Солнца и способствовали бы заполнению пробелов в нашем понимании того, какие условия царят в этих неизведанных пока глубинах космоса.

Пролет

Если все пойдет по плану, предначертанному командой миссии, около 2060 г. бортовой компьютер Starshot «проснется», отправит сигнал на Землю, протестирует свое состояние, определит положение зонда и начнет готовиться к пролету системы Проксимы Центавра.

Все эксперты согласны в том, что самый высокий приоритет следует присвоить задаче фотографирования звезды и ее спутника (или спутников, если их окажется несколько). По оценкам Любина, Starshot должен приблизиться к цели — экзопланете Proxima b — на расстояние в одну астрономическую единицу, что равно среднему расстоянию от Земли до Солнца. Даже с такой дистанции по фотографиям с высоким разрешением можно будет определить, есть ли на этой планете вода в жидком состоянии, или же она представляет собой пустынный объект типа Марса или Меркурия. Предполагается, что на снимках удастся различить крупномасштабные детали поверхности — такие, как океаны, материки, горные цепи и крупнейшие кратеры.

Планетную атмосферу должен исследовать специальный спектрометр. Аппаратура зонда будет вести поиск молекул кислорода, метана и более сложных углеводородов, которые являются достаточно надежными маркерами возможной биологической жизни. Также должны быть проведены измерения температуры и напряженности магнитного поля, что позволит оценить условия, существующие на планете, и ее пригодность для обитания.

Когда Starshot достигнет системы Проксимы Центавра, у него не будет возможности замедлить скорость движения, поэтому он за два часа «пронзит» ее от края до края. Это обстоятельство необходимо учитывать при создании научных приборов. Получить высококачественные изображения с аппарата, мчащегося со скоростью в пять раз меньше, чем скорость света, не представляется возможным. Бортовые камеры должны удерживать планету в поле зрения во время экспозиции, а исправлением искажений, вызванных релятивистскими эффектами, изменениями угла наклона камер и расстояния до цели, займутся уже наземные специалисты, «вооруженные» мощными компьютерами.

Затем наступит черед выполнения одной из самых сложных задач, путей решения которой ученые пока не знают — передачи полученных данных на Землю с использованием лазерного луча мощностью в 1 (один!) ватт. Сумеет ли наша приемная аппаратура выделить из общего фона и зарегистрировать столь слабый сигнал без искажений после 4,24-летнего путешествия в межзвездном пространстве? Любин предлагает построить массив приемных детекторов площадью 1 км² для обнаружения сигналов, отправленных зондом. На самом зонде, в свою очередь, с помощью мощных конденсаторов будет реализована схема создания достаточно яркого импульсного источника, напоминающая вспышку фотоаппарата. Возможно, инженерам удастся использовать солнечный парус в качестве своеобразной передающей антенны. Однако лазерный луч, несущий информацию, все равно окажется неимоверно слабым световым импульсом, посланным к тому же из непосредственных окрестностей звезды (пусть даже не очень яркого красного карлика).

Альтернативный подход предусматривает последовательный запуск мини-зондов — своеобразных ретрансляторов, летящих в пространстве между Солнцем и Проксимой Центавра с интервалом 0,2 световых года. В этом случае сигнал, передаваемый по цепочке от зонда к зонду, должен будет преодолевать в 20 раз меньшее расстояние. Но такая схема, по мнению Любина и других участников проекта, сильно усложнит задачу без особых гарантий на успешное функционирование всех звеньев «цепочки», состоящей из более чем двух десятков аппаратов.

Новые возможности

Эксперты, не участвующие в проекте, выражают сочетание умеренного оптимизма и скепсиса. «Думаю, возникнут огромные проблемы при создании столь мощных лазеров и других необходимых технологий», — рассуждает главный научный сотрудник Оптического общества в Вашингтоне Грегори Куорлз (Gregory Quarles, The Optical Society, Washington), и добавляет, что при достаточном уровне частного и государственного финансирования исследований в области оптики и композитных материалов «от этих инвестиций будет реальная отдача».

Некоторые ученые склонны думать, что минималистский подход Starshot сильно отличает миссию в лучшую сторону от предыдущих, менее правдоподобных предложений. Другие исследователи, однако, опасаются, что многочисленные технологические препятствия могут оказаться непреодолимыми. «Я скептически отношусь к ближайшему будущему этого проекта, — заявил сотрудник Планетного общества Брюс Беттс (Bruce Betts). — Изготовление любого элемента кажется возможным, пока вы не понимаете, что должны его втиснуть в крошечный маломассивный объект».

Андреас Циолас (Andreas Tziolas), президент космической исследовательской организации Icarus Interstellar, считает, что, даже если Starshot достигнет экзопланеты Proxima b, он вряд ли сможет передать много полезной информации. «Этот проект имеет чрезвычайно малый и ненадежный шанс на успех в завершающей его части — передаче данных на Землю, — говорит он. — Невозможно на борту такого маленького космического аппарата в столь удаленных областях Вселенной иметь достаточно энергии, чтобы передать сигнал обратно». Несмотря на то, что организация, руководимая Циоласом, также изучает использование лазеров для разгона зонда, она фокусирует свое внимание на отправке большего по размерам аппарата, снабженного ядерным источником питания, который был бы способен «зажечь» лазерный луч значительной мощности, вполне различимый на фоне шумов на межзвездных расстояниях.

До того момента, как некий посадочный зонд коснется поверхности планеты Proxima b, астрономы смогут узнать о ней еще много нового, не посылая никаких аппаратов к другим звездам. Космический телескоп Джеймса Уэбба JWST планируют запустить в конце 2021 г., а в следующем десятилетии, скорее всего, будут введены в эксплуатацию несколько гигантских телескопов наземного базирования. С их помощью астрономы собираются определить, содержит ли атмосфера экзопланеты вещества-маркеры жизни.

Но, как сказал бы любой исследователь, с нового места все видится по-новому. Пролет Плутона в 2015 г., например, показал ледяные горы и азотные ледники, которые самые мощные наземные и космические телескопы различить не могли. Точно так же Proxima b и любая другая экзопланета может таить сюрпризы, заметные только с близкого расстояния.

Многие ученые видят в новом проекте более широкие перспективы. «Я рассматриваю Starshot как свидетельство расширения наших возможностей, — говорит Келвин Лонг, директор лондонской Инициативы межзвездных исследований и член консультативного комитета проекта Starshot (Kelvin Long, Initiative for Interstellar Studies, London, UK). — Это похоже на возвращение на Луну. Лазерный массив, способный разогнать космический корабль для полета к Проксиме Центавра, может также доставить зонд в любую точку Солнечной системы в течение нескольких дней». А это, по его мнению, радикально изменило бы все подходы к исследованиям нашей планетной системы и значительно приблизило бы осуществление планов ее колонизации.