Когда-нибудь, в не столь отдаленном будущем, люди смогут отправить роботизированные зонды для исследования близлежащих звездных систем. Эти роботы-исследователи, скорее всего, примут форму световых парусов и пластинчатых кораблей (а-ля Breakthrough Starshot), которые будут полагаться на направленную энергию (лазеры) для ускорения до релятивистских скоростей – то есть. долю скорости света. С такой скоростью световые паруса и аппараты с пластинами могли бы совершить путешествие по межзвездному пространству за несколько десятилетий, а не столетий (или дольше!) Со временем эти миссии могли бы послужить первопроходцами для более амбициозных исследовательских программ с участием астронавтов.
Конечно, любой разговор о межзвездных путешествиях должен учитывать огромные технические проблемы, которые это влечет за собой. В недавней статье группа инженеров и астрофизиков рассмотрела влияние релятивистских космических путешествий на связь. Их результаты показали, что на крейсерском этапе миссии (когда космический корабль движется со скоростью, близкой к скорости света) связь становится проблематичной для односторонней и двусторонней передачи. Это создаст серьезные проблемы для пилотируемых миссий, но практически не повлияет на роботизированные миссии.
В состав команды входили Дэвид Мессершмитт, почетный профессор электротехники и информатики Калифорнийского университета в Беркли; Ян Моррисон, научный сотрудник Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR) Университета Кертина и разработчик средств связи и обработки сигналов Astro Signal Pty Ltd; Томас Моздзен, научный сотрудник Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона; и Филип Любин, профессор физики и руководитель группы экспериментальной космологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Препринт их статьи недавно появился в Интернете и рассматривается для публикации Эльзевир.
В своем исследовании команда рассматривала как роботизированные (беспилотные), так и пилотируемые миссии. Первый состоит из понятий, аналогичных Старшот и Направленная энергия для межзвездных исследований (DEEP-In) – он же. Звездный свет – понятия. Эту последнюю концепцию профессор Любин и его коллеги из группы экспериментальной космологии UCSB разрабатывают с 2014 года в рамках программы НАСА «Инновационные передовые концепции» (NIAC). Однако их анализ отличался, поскольку он рассматривает сценарии, в которых космические корабли приближаются к скорости света, а не от 10% до 20%, требуемых при Звездный свет и Старшот концепции.
Для беспилотных миссий операции дистанционного управления и передача данных требуют надежной связи на определенных этапах. Однако для миссий с экипажем поддержание постоянной связи с домом имеет решающее значение для долгосрочного благополучия астронавтов. Независимо от профиля миссии, связь неизменно сводится к передачам в электромагнитном спектре (радиоволны, лазеры и т. д.) и к тому, как они распространяются в космосе. Как сообщила команда Universe Today по электронной почте:
«Мы исходим из того, что сигналы связи являются электромагнитными и, следовательно, передаются через фотоны. Это относится к скорости распространения сигнала связи, которая связана с задержкой распространения. Соотношения времени и задержки не зависят от длины волны и, следовательно, одинаково применимы к радио, микроволновому или оптическому оборудованию».
Еще одним ключевым моментом является то, что связь на релятивистских скоростях должна учитывать эффекты специальной теории относительности. Короче говоря, космический корабль, движущийся со скоростью, значительной долей скорости света, испытает замедление времени, при этом его внутренние часы будут идти медленнее, чем часы миссии на Земле. Еще одно соображение заключается в том, что связь с миссией и обратно будет подвержена доплеровскому сдвигу. Как учит нас специальная теория относительности, скорость света постоянна в вакууме и не ускоряется и не замедляется в зависимости от движения наблюдателя или источника.
Но если пространство между объектами расширяется, длина волны света будет смещаться в сторону красного конца спектра (так называемое красное смещение). Их анализ показал, что ситуация будет проще для роботизированных миссий, поскольку связь требуется только на этапе приземления. Однако для пилотируемых миссий постоянная связь желательна на всех этапах миссии, включая фазу крейсерского полета (когда космический корабль будет разгоняться до релятивистской скорости). В этом случае, по словам команды, возникли проблемы:
«Основными рассматриваемыми эффектами являются большие задержки распространения вместе с замедлением времени часов, движущихся с высокой скоростью. Анализ проводится с точки зрения путешественника на релятивистской скорости, а не с точки зрения инерционного наблюдателя (как в астрономической обсерватории), что, насколько нам известно, ранее не рассматривалось в литературе. Результаты показывают, что задержки сообщений туда и обратно могут быть чрезвычайно высокими, скорость потокового мультимедиа может значительно замедляться, а при определенных обстоятельствах связь становится невозможной. Релятивистские космические корабли и их астронавты должны функционировать в значительной степени автономно».
Эти результаты имеют серьезные последствия для возможности межзвездных миссий. Неспособность поддерживать контакт с Землей в определенные периоды миссии, сложность передачи информации и необходимость автономности — все это представляет собой серьезные проблемы. В этих обстоятельствах будущие поколения могут решить ограничить межзвездные миссии роботами-исследователями. В качестве альтернативы они могут перевести экипажи в режим гибернации или криогенной суспензии, чтобы на этапе крейсерского полета связь не требовалась.
Однако, как отметила команда, их анализ сводится к количественной оценке проблем поддержания связи с релятивистской миссией. Это абсолютно необходимо, прежде чем можно будет предпринять какие-либо попытки спланировать межзвездные исследования. Кроме того, вероятно, произойдет несколько нововведений и изменений с настоящего момента до того дня, когда рассматриваются межзвездные миссии человека, которые могут изменить картину. Как они резюмировали:
«[T]На разработку любых будущих межзвездных миссий с участием астронавтов, особенно на большие расстояния, существенно повлияют ограничения на связь, налагаемые большими расстояниями и скоростями космических кораблей, близкими к скорости света. Хотя аналитический подход является общим, численные результаты применяются к гипотетическим будущим миссиям, в которых люди будут путешествовать со скоростью, близкой к скорости света. Хотя такие скорости невозможны при нынешних технологиях движения, ситуация может измениться. Эти скорости, возможно, не нужны для путешествия человека к ближайшим звездам, но позволят путешествовать на гораздо большие расстояния в течение типичной человеческой жизни».
Дальнейшее чтение: arXiv
