Ученые планируют полет к черной дыре: детальный сценарий первой межзвездной миссии

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна остается безальтернативным базисом современной физики. На протяжении ста лет ученые проверяли ее предсказания с высокой точностью, и каждый раз уравнения оказывались верны. Но все наши эксперименты — от наблюдений за орбитой Меркурия до детектирования гравитационных волн — проводились в условиях, когда гравитация относительно слабая, либо источник гравитации находится на огромном расстоянии от наблюдателя.

Поведение пространства, времени и материи в непосредственной близости от горизонта событий черной дыры — при сильном влиянии гравитации — никогда не тестировалось прямыми методами. Мы предполагаем, что теория Эйнштейна работает и там, но в науке предположение не является доказательством. Единственный способ узнать истину — отправить измерительный прибор непосредственно к объекту.

В журнале iScience опубликован подробный технический анализ такой возможности. Физик-теоретик Козимо Бемби из Фуданьского университета говорит что создание автоматического зонда для полета к ближайшей черной дыре возможно на базе технологий, которые появятся в ближайшие два-три десятилетия.

Проблема целепоказания: статистическая неизбежность

Первый вызов миссии — отсутствие точного адреса. На данный момент астрономы подтвердили существование ближайшей черной дыры (объект GAIA-BH1) на расстоянии более 1500 световых лет. Полет на такую дистанцию лишен практического смысла даже для теоретических двигателей будущего.

Однако наблюдаемая картина неполная. Современные методы поиска черных дыр эффективны только для объектов, входящих в двойные системы (где черная дыра влияет на видимую звезду-компаньона) или активно поглощающих вещество (что порождает рентгеновское излучение). Изолированные, одиночные черные дыры остаются невидимыми для телескопов.

Статистические модели распределения звездных масс в Млечном Пути показывают, что в нашей Галактике существует около 100 миллионов черных дыр звездной массы. Исходя из локальной плотности объектов в окрестностях Солнца, расчеты предсказывают существование изолированной черной дыры на расстоянии всего 20-25 световых лет от Земли.

Чтобы обнаружить этот темный объект, астрофизики предлагают использовать два метода:

1. Гравитационное микролинзирование. Даже невидимый объект своей массой искажает свет далеких звезд, проходящих за ним. Фиксация таких искажений позволит определить наличие черной дыры.
2. Гравитационные волны. Если изолированная черная дыра взаимодействует с межзвездной средой или пролетает через плотное облако газа, это может порождать специфические гравитационные возмущения, которые зафиксируют детекторы нового поколения.

Энергетика полета: отказ от топлива

Классическая ракетная техника непригодна для межзвездных перелетов в разумные сроки. Чтобы преодолеть 20 световых лет за время человеческой жизни (менее 100 лет), аппарат должен разогнаться минимум до 20-30% скорости света. Уравнение Циолковского накладывает здесь жесткий запрет: чтобы разогнать космический корабль до таких скоростей с использованием химического или даже ядерного топлива, потребовалась бы масса рабочего тела, превышающая массу всех планет Солнечной системы.

Единственное техническое решение, не нарушающее законов физики — оставить источник энергии на Земле. Концепция, лежащая в основе проекта, базируется на использовании давления света.

Архитектура системы выглядит следующим образом:

• Нанозонд: полезная нагрузка миссии экстремально миниатюризирована. Это кремниевая пластина («вафер») весом около 1 грамма, на которой интегрированы процессор, навигационные датчики, камера, спектрометры и система связи.
• Световой парус: зонд прикреплен к парусу площадью около 10 квадратных метров, изготовленному из сверхтонкого и прочного диэлектрического материала с максимальным коэффициентом отражения.
• Лазерный массив: на Земле строится гигантская система фазированных лазерных излучателей.

Лазерный луч фокусируется на парусе, создавая световое давление. Поскольку масса аппарата ничтожна (граммы), ускорение достигает огромных значений — порядка 10 000 g. Это позволяет разогнать зонд до релятивистских скоростей (около 100 000 км/с) всего за несколько десятков минут работы лазера. После этого излучатель отключается, и аппарат продолжает полет по инерции.

По оценкам, стоимость создания лазерного массива сейчас составила бы триллионы долларов, но прогресс в фотонике (снижение стоимости лазерного ватта) позволяет прогнозировать падение цены до приемлемого уровня (порядка 1 миллиарда долларов) через 30 лет.

Сценарий прибытия: проблема торможения

Большой недостаток схемы с внешним разгоном — невозможность торможения. У зонда нет двигателя, чтобы замедлиться у цели. Это означает, что миссия будет пролетной: у аппарата будет лишь несколько часов или дней вблизи черной дыры, прежде чем он пролетит мимо и уйдет в бесконечность.

Для решения этой проблемы и проведения полноценных измерений предлагается концепция разделяемого аппарата. При подлете к цели нанозонд разделяется на два независимых модуля:

1. Модуль А (ретранслятор): пролетает на безопасном расстоянии от черной дыры. Он сохраняет ориентацию паруса таким образом, чтобы использовать его как антенну для передачи собранных данных обратно на Землю.
2. Модуль Б (исследователь): сбрасывает парус и переходит на траекторию максимального сближения с горизонтом событий.

Главная задача Модуля Б — передавать электромагнитный сигнал на Модуль А во время своего падения. Именно анализ этого сигнала является сутью научного эксперимента.

Научные цели: что мы ищем?

Миссия предназначена для проверки трех фундаментальных аспектов физики, которые невозможно протестировать иначе.

1. Картографирование метрики пространства-времени

Согласно Общей теории относительности, вращающаяся черная дыра создает вокруг себя специфическую геометрию пространства, описываемую метрикой Керра. По мере того как Модуль Б будет приближаться к черной дыре, гравитация будет изменять частоту испускаемого им сигнала (гравитационное красное смещение). Если теория Эйнштейна абсолютно верна, график изменения частоты будет строго соответствовать расчетному. Любое, даже микроскопическое отклонение укажет на то, что метрика пространства отличается от предсказанной, что станет указанием на необходимость «новой физики».

2. Проверка природы горизонта событий

В классической физике горизонт событий — это нематериальная граница, точка невозврата. Однако существуют альтернативные квантовые теории гравитации (например, теория струн), которые предполагают, что черная дыра — это не «дыра», а сверхплотный физический объект, имеющий твердую поверхность (концепция «фаззбола» или волосатого шара).

Если горизонт событий — это пустота, сигнал от зонда будет плавно затухать и смещаться в красный спектр до полного исчезновения. Если же зонд столкнется с физической поверхностью, характер сигнала резко изменится. Это позволит экспериментально подтвердить или опровергнуть наличие у черных дыр внутренней структуры.

3. Постоянство физических законов

Некоторые теоретические модели допускают, что в сверхсильных гравитационных полях фундаментальные константы (например, постоянная тонкой структуры, определяющая силу электромагнитного взаимодействия) могут менять свои значения. Спектральный анализ сигналов зонда позволит зафиксировать такие вариации, если они существуют.

Временные рамки и выводы

Реализация подобного проекта требует смены парадигмы в планировании научных экспериментов. Это миссия, выходящая за пределы человеческой жизни.

• 20-30 лет: разработка технологий, строительство лазерного массива и поиск цели.
• 60-75 лет: время перелета до объекта.
• 20-25 лет: время, необходимое для того, чтобы сигнал с данными вернулся на Землю.

Суммарная длительность миссии превысит 100 лет. Ученые и инженеры, которые запустят зонд, не увидят результатов своей работы — данные получат их преемники. Однако в истории науки такие примеры уже были: строительство средневековых соборов занимало века, но результат оправдывал усилия многих поколений.

Технический анализ показывает: прямая инспекция черной дыры не требует изобретения «варп-двигателей» или нарушения законов физики. Она требует лишь совершенствования существующих технологий фотоники, миниатюризации электроники и, самое главное, готовности цивилизации инвестировать в знания, которые станут доступны лишь в следующем столетии.

Источник: iScience