Світловий рік і космічні масштаби. Яка відстань між нами і наднової можна вважати безпечним? До околиць Всесвіту

Проксима Центавра.

Ось класичне запитання на засипку. Запитайте друзів, " Яка є найближчою до нас?", А потім дивіться, як вони будуть перераховувати найближчі зірки. Може бути Сіріус? Альфа щось там? Бетельгейзе? Відповідь очевидна - це; масивний куля плазми, розташований приблизно в 150 мільйонах кілометрів від Землі. Давайте уточнимо питання. Яка зірка найближча до Сонця?

найближча зірка

Ви, напевно, чули, що - третя за яскравістю зірка в небі на відстані всього 4,37 світлових року від. але Альфа Центавра не поодинокий зірка, це система з трьох зірок. По-перше, подвійна зірка (бінарна зірка) із загальним центром гравітації і орбітальним періодом 80 років. Альфа Центавра А лише трохи масивніше і яскравіша за Сонце, а Альфа Центавра B трохи мене масивна, ніж Сонце. Також в цій системі присутній третій компонент, тьмяний червоний карлик Проксима Центавра (Proxima Centauri).

Проксима Центавра - це і є найближча зірка до нашого Сонця, Розташована на відстані всього 4,24 світлових року.

Проксима Центавра.

Кратна зоряна система Альфа Центавра розташована в сузір'ї Центавра, яке видно тільки в південній півкулі. На жаль, навіть якщо ви побачите цю систему, ви не зможете розгледіти Проксиму Центавра. Ця зірка настільки тьмяна, що вам знадобиться досить потужний телескоп, щоб подивитися на неї.

Давайте з'ясуємо масштаб того, наскільки далека Проксима Центавра від нас. Подумайте про. рухається зі швидкістю майже 60 000 км / год, найшвидший в. Цей шлях він подолав у 2015 році за 9 років. Подорожуючи з такою швидкістю, щоб дістатися до Проксіми Центавра, "Нових горизонтів" буде потрібно 78 000 світлових років.

Проксима Центавра - це найближча зірка впродовж 32 000 світлових років, і вона буде утримувати даний рекорд ще 33 000 років. Вона зробить свій найближчий підхід до Сонця приблизно через 26700 років, коли відстань від цієї зірки до Землі буде всього 3,11 світлових року. Через 33 000 років найближчій зіркою стане Ross 248.

Що щодо північної півкулі?

Для тих з нас, хто живе в північній півкулі, найближчої видимої зіркою є зірка Барнарда, Ще один червоний карлик в сузір'ї Змієносця (Ophiuchus). На жаль, як і Проксима Центавра, Зірка Барнарда занадто тьмяна, щоб бачити її неозброєним оком.

Зірка Барнарда.

найближча зірка, Яку ви зможете побачити неозброєним оком в північній півкулі - це Сіріус (Альфа Великого Пса). Сіріус в два рази більша за Сонце за розміром і по масі, і найяскравіша зірка в небі. Розташована в 8,6 світлових років від нас у сузір'ї Великого Пса (Canis Major) - це найвідоміша зірка, яка має Оріон на нічному небі взимку.

Як астрономи виміряли відстань до зірок?

Вони використовують метод, званий. Давайте проведемо невеличкий експеримент. Тримайте одну руку витягнутої в довжину і помістіть свій палець так, щоб поруч знаходився якийсь віддалений об'єкт. Тепер по черзі відкривайте і закривайте кожне око. Зверніть увагу, здається, що ваш палець стрибає туди і назад, коли ви дивитеся різними очима. Це і є метод паралакса.

Паралакс.

Щоб виміряти відстань до зірок, ви можете виміряти кут до зірки по відношенню до, коли Земля знаходиться на одній стороні орбіти, скажімо влітку, потім через 6 місяців, коли Земля пересунеться на протилежну сторону орбіти, а потім виміряти кут до зірки в порівнянні з яким -небудь віддаленим об'єктом. Якщо зірка близько до нас, даний кут можна буде виміряти і обчислити відстань.

Ви можете дійсно можете виміряти відстань таким способом до найближчих зірок, Але цей метод працює тільки до 100 "000 світлових років.

20 найближчих зірок

Ось список з 20 найближчих зоряних систем і їх відстань до них в світлових роках. Деякі з них мають кілька зірок, але вони частина однієї і тієї ж системи.

За даними NASA в радіусі 17 світлових років від Сонця існує 45 зірок. У налічується понад 200 мільярдів зірок. Деякі з них настільки тьмяні, що їх майже неможливо виявити. Можливо, з новими технологіями вчені знайдуть зірки ще ближче до нас.

Назва прочитаної вами статті "Найближча зірка до Сонця".

22 лютого 2017 року NASA повідомило, що у одиночній зірки TRAPPIST-1 знайдені 7 екзопланет. Три з них знаходяться в тому діапазоні відстаней від зірки, в якому планета може мати рідку воду, а вода - це ключовий умова для життя. Повідомляється також, що дана зоряна система знаходиться на відстані в 40 світлових років від Землі.

Це повідомлення наробило багато галасу в ЗМІ, декому навіть здалося, що людство знаходиться в кроці від будівництва нових поселень у нової зірки, але це не так. Але 40 світлових років - це багато, це БАГАТО, це занадто багато кілометрів, тобто це жахливо колосальну відстань!

З курсу фізики відома третя космічна швидкість - це така швидкість, яку повинне мати тіло біля поверхні Землі, щоб вийти за межі Сонячної системи. Значення цієї швидкості одно 16,65 км / сек. Звичайні орбітальні космічні кораблі стартують зі швидкістю 7,9 км / сек, і обертаються навколо Землі. В принципі, швидкість в 16-20 км / сек, є цілком доступною сучасним земним технологіям, але не більше!

Людство ще не навчилося розганяти космічні кораблі швидше, ніж 20 км / сек.

Розрахуємо, скільки років знадобиться зорельота, що летить зі швидкістю в 20 км / сек, щоб подолати 40 світлових років і досягти зірки TRAPPIST-1.
Один світловий рік - це відстань, яку проходить промінь світла у вакуумі, а швидкість світла дорівнює приблизно 300 тис. Км / сек.

Космічний корабель, зроблений руками людей, летить зі швидкістю в 20 км / сек, тобто в 15000 разів повільніше швидкості світла. 40 світлових років такий корабель подолає за час рівне 40 * 15000 \u003d 600000 років!

Земний корабель (при сучасному рівні технології) долетить до зірки TRAPPIST-1 приблизно за 600 тис. Років! Людина розумна існує на Землі (на думку вчених) всього 35-40 тис. Років, а тут цілих 600 тис. Років!

Найближчим часом технології не дозволять людині досягти зірки TRAPPIST-1. Навіть перспективні двигуни (іонні, фотонні, космічні вітрила і т.д.), яких немає в земної реальності, оціночно, можуть розігнати корабель до швидкості в 10000 км / сек, а значить, час польоту до системи TRAPPIST-1 скоротиться до 120 років . Це вже більш-менш прийнятний час для польоту за допомогою анабіозу або для декількох поколінь переселенців, але на сьогоднішній день всі ці двигуни - фантастика.

Навіть найближчі зірки поки ще занадто далекі від людей, занадто далекі, не кажучи вже про зірок нашої Галактики або інших галактиках.

Поперечник нашої галактики Чумацький Шлях становить приблизно 100 тис. Світлових років, тобто шлях від краю до краю для сучасного земного корабля складе 1,5 млрд. Років! Наука передбачає, що нашій Землі 4,5 млрд. Років, а багатоклітинного життя приблизно 2 млрд. Років. Відстань до найближчої до нас галактики - Туманності Андромеди - 2,5 млн. Світлових років від Землі - які жахливі відстані!

Як видно, з усіх нині живих людей ніхто і ніколи не ступить ногою на землю планети в іншої зірки.

Внаслідок річного руху Землі по орбіті близькі зірки трохи переміщаються щодо далеких «нерухомих» зірок. За рік така зірка описує на небесній сфері малий еліпс, розміри якого тим менше, ніж зірка далі. У кутовій мірі велика піввісь цього еліпса приблизно дорівнює величині максимального кута, під яким із зірки видно 1 а. е. (велика піввісь земної орбіти), перпендикулярна напряму на зірку. Цей кут (), званий річним або тригонометричним параллаксом зірки, рівний половині її видимого зміщення за рік, служить для вимірювання відстані до неї на основі тригонометричних співвідношень між сторонами і кутами трикутника ЗСА, в якому відомий кут і базис - велика піввісь земної орбіти (див . рис. 1).

Малюнок 1. Визначення відстані до зірки методом паралакса (А - зірка, З - Земля, С - Сонце).

відстань r до зірки, яке визначається за величиною її тригонометричного паралаксу, так само:

r \u003d 206265 "" / (а. Е.),

де паралакс виражений в кутових секундах.

Для зручності визначення відстаней до зірок за допомогою паралаксів в астрономії застосовують спеціальну одиницю довжини - парсек (пс). Зірка, яка перебуває на відстані 1 пс, має паралакс, рівний 1 "". Згідно вищеназваної формулою, 1 пс \u003d 206265 а. е. \u003d 3,086 × 10 18 см.

Поряд з парсек застосовується ще одна спеціальна одиниця відстаней - світловий рік (т. Е. Відстань, яку світло проходить за 1 рік), він дорівнює 0,307 пс, або 9,46 × 10 17 см.

Найближча до Сонячної системи зірка - червоний карлик 12-ї зоряної величини Проксима Центавра - має паралакс 0,762, т. Е. Відстань до неї одно 1,31 пс (4,3 світлових роки).

Нижня межа вимірювання тригонометричних паралаксів ~ 0,01 "", тому з їх допомогою можна вимірювати відстані, що не перевищують 100 пс з відносною похибкою 50%. (При відстанях до 20 пс відносна похибка не перевищує 10%.) Цим методом до теперішнього часу визначені відстані до близько 6000 зірок. Відстані до більш далеких зірок в астрономії визначають в основному фотометричним методом.

Таблиця 1. Двадцять найближчих зірок.

Зірки є найпоширенішим типом небесних тіл у Всесвіті. Зірок до 6-ї зоряної величини налічується близько 6000, до 11-ї зоряної величини приблизно мільйон, а до 21-ї зоряної величини їх на всьому небі близько 2 млрд.

Всі вони, як і Сонце, є гарячими самосветящимися газовими кулями, в надрах яких виділяється величезна енергія. Однак зорі навіть у найсильніші телескопи видно як світні точки, так як вони знаходяться дуже далеко від нас.

1. Річний паралакс і відстані до зірок

Радіус Землі виявляється надто малим, щоб бути базисом для вимірювання параллактического усунення зірок і для визначення відстаней до них. Ще за часів Коперника було ясно, що якщо Земля дійсно обертається навколо Сонця, то видимі положення зірок на небі повинні змінюватися. За півроку Земля переміщується на величину діаметра своєї орбіти. Направлення на зірку з протилежних точок цієї орбіти мають розрізнятися. Інакше кажучи, у зірок повинен бути помітний річний паралакс (мал. 72).

Річним параллаксом зірки ρ називають кут, під яким із зірки можна було б бачити велику піввісь земної орбіти (що дорівнює 1 а. Е.), Якщо вона перпендикулярна променю зору.

Чим більше відстань D до зірки, тим менше її паралакс. Параллактическое зміщення положення зірки на небі протягом року відбувається по маленькому еліпсу або колу, якщо зірка знаходиться в полюсі екліптики (див. Рис. 72).

Коперник намагався, але не зміг виявити паралакс зірок. Він правильно твердив, що зірки занадто далекі від Землі, щоб існуючими тоді приладами можна було помітити їх параллактическое зміщення.

Вперше надійне вимірювання річного паралакса зірки Веги вдалося здійснити в 1837 р російській академіку В. Я. Струве. Майже одночасно з ним в інших країнах визначили паралакси ще у двох зірок, однією з яких була α Центавра. Ця зірка, яка в СРСР не видно, виявилася найближчою до нас, її річний паралакс ρ \u003d 0,75 ". Під таким кутом неозброєному оку видно зволікання товщиною 1 мм з відстані 280 м. Не дивно, що так довго не могли помітити у зірок настільки малі кутові зміщення.

Відстань до зірки де а - велика піввісь земної орбіти. При малих кутах якщо р виражено в секундах дуги. Тоді, прийнявши а \u003d 1 а. е., отримаємо:

Відстань до найближчої зірки α Центавра D \u003d 206 265 ": 0,75" \u003d 270 000 а. е. Світло проходить цю відстань за 4 роки, тоді як від Сонця до Землі він йде тільки 8 хв, а від Місяця близько 1 с.

Відстань, яку світло проходить протягом року, називається світловим роком. Ця одиниця використовується для вимірювання відстані поряд з парсек (пк).

Парсек - відстань, з якого велика піввісь земної орбіти, перпендикулярна променю зору, видно під кутом в 1 ".

Відстань в парсеках одно зворотній величині річного паралакса, вираженого в секундах дуги. Наприклад, відстань до зірки α Центавра одно 0,75 "(3/4"), або 4/3 пк.

1 парсек \u003d 3,26 світлового року \u003d 206 265 а. е. \u003d 3 * 10 13 км.

В даний час вимірювання річного паралакса є основним способом при визначенні відстаней до зірок. Параллакси виміряні вже для дуже багатьох зірок.

Виміром річного паралакса можна надійно встановити відстань до зірок, що знаходяться не далі 100 пк, або 300 світлових років.

Чому я не можу точно виміряти річний паралакс більш o далеких зірок?

Відстань до більш далеких зірок в даний час визначають іншими методами (див. §25.1).

2. Видима і абсолютна зоряна величина

Світність зірок. Після того як астрономи отримали можливість визначати відстані до зірок, було встановлено, що зірки відрізняються по видимої яскравості не тільки через відмінності відстані до них, а й внаслідок відмінності їх світності.

Світність зірки L називається потужність випромінювання світлової енергії в порівнянні з потужністю випромінювання світла Сонцем.

Якщо дві зірки мають однакову світність, то зірка, яка знаходиться далі від нас, має меншу видиму яскравість. Порівнювати зірки по світності можна лише в тому випадку, якщо розрахувати їхню видиму яскравість (зоряну величину) для одного і того ж стандартного відстані. Таким відстанню в астрономії прийнято вважати 10 пк.

Видима зоряна величина, яку мала б зоря, якби знаходилася від нас на стандартній відстані D 0 \u003d 10 пк, дістала назву абсолютної зоряної величини М.

Розглянемо кількісне співвідношення видимої й абсолютної зоряних величин зірки при відомій відстані D до неї (або її паралаксі р). Згадаймо спочатку, що різниця в 5 зоряних величин відповідає відмінності яскравості рівно в 100 разів. Отже, різниця видимих \u200b\u200bзоряних величин двох джерел дорівнює одиниці, коли один з них яскравіше іншого рівно в раз (ця величина приблизно дорівнює 2,512). Чим яскравіше джерело, тим його видима зоряна величина вважається меншою. У загальному випадку відношення видимої яскравості двох будь-яких зірок I 1: I 2 пов'язане з різницею їх видимих \u200b\u200bзоряних величин m 1 і m 2 простим співвідношенням:

Нехай m - видима зоряна величина зірки, що знаходиться на відстані D. Якби вона спостерігалася з відстані D 0 \u003d 10 пк, її видима зоряна величина m 0 за визначенням була б дорівнює абсолютній зоряній величині М. Тоді її позірна яскравість змінилась би в

У той же час відомо, що уявна яскравість зірки змінюється обернено пропорційно квадрату відстані до неї. Тому

(2)

отже,

(3)

Логаріфміруя цей вислів, знаходимо:

(4)

де р виражено в секундах дуги.

Ці формули дають абсолютну зоряну величину М за відомою видимої зоряної величиниm при реальній відстані до зірки D. Наше Сонце з відстані 10 пк мало б приблизно як зірка 5-й видимої зоряної величини, т. е. для Сонця М ≈5.

Знаючи абсолютну зоряну величину М будь-якої зірки, легко обчислити її світність L. Беручи світність Сонця L \u003d 1, за визначенням світності можна записати, що

Величини М і L в різних одиницях виражають потужність випромінювання зірки.

Дослідження зірок показує, що по світності вони можуть відрізнятися в десятки мільярдів раз. У зоряних величинах ця різниця досягає 26 одиниць.

абсолютні величинизірок дуже високої світності від'ємні й досягають М \u003d -9. Такі зірки називаються гігантами і надгігантами. Випромінювання зірки S Золотої Риби потужніше за випромінювання нашого Сонця в 500 000 разів, її світність L \u003d 500 000, найменшу потужність випромінювання мають карлики з М \u003d + 17 (L \u003d 0,000013).

Щоб зрозуміти причини значних відмінностей в світності зірок, необхідно розглянути й інші їхні характеристики, які можна визначити на основі аналізу випромінювання.

3. Колір, спектри і температура зірок

Під час спостережень ви звернули увагу на те, що зірки мають різний колір, добре помітний у найбільш яскравих з них. Колір тіла, що нагрівається, в тому числі і зірки, залежить від його температури. Це дає можливість визначити температуру зірок з розподілу енергії в їх неперервному спектрі.

Колір і спектр зірок пов'язані з їхньою температурою. У порівняно холодних зірках переважає випромінювання в червоній області спектра, від чого вони і мають червонуватий колір. Температура червоних зірок низька. Вона росте послідовно при переході від червоних зірок до помаранчевих, потім до жовтих, жовтуватим, білим і блакитним. Спектри зірок вкрай різноманітні. Вони розділені на класи, що позначаються латинськими літерами і цифрами (див. Задній форзац). У спектрах холодних червоних зірок класу Мз температурою близько 3000 К видно смуги поглинання найпростіших двохатомних молекул, найчастіше оксиду титану. У спектрах інших червоних зірок переважають оксиди вуглецю або цирконію. Червоні зірки першої величини класу М - Антарес, Бетельгейзе.

У спектрах жовтих зірок класу G, До яких відноситься і Сонце (з температурою 6000 К на поверхні), переважають тонкі лінії металів: заліза, кальцію, натрію та ін. Зіркою типу Сонця за спектром, кольором і температурі є яскрава Капелла в сузір'ї Візничого.

В спектрах білих зірок класу А, Як Сіріус, Вега і Денеб, найсильніші лінії водню. Є багато слабких ліній іонізованих металів. Температура таких зірок близько 10 000 К.

В спектрах найбільш гарячих, блакитних зірокз температурою близько 30 000 К видно лінії нейтрального та іонізованого гелію.

Температури більшості зірок укладені в межах від 3000 до 30 000 К. У небагатьох зірок зустрічається температура близько 100 000 К.

Таким чином, спектри зірок дуже сильно відрізняються один від одного і по ним можна визначити хімічний склад і температуру атмосфер зірок. Вивчення спектрів показало, що в атмосферах усіх зірок переважаючими є водень і гелій.

Відмінності зоряних спектрів пояснюються не стільки різноманітністю їхнього хімічного складу, скільки відмінністю температури та інших фізичних умов в зоряних атмосферах. При високій температурі відбувається руйнування молекул на атоми. При ще вищій температурі руйнуються менш міцні атоми, вони перетворюються в іони, втрачаючи електрони. Іонізованниє атоми багатьох хімічних елементів, як і нейтральні атоми, випромінюють і поглинають енергію певних довжин хвиль. Шляхом порівняння інтенсивності ліній поглинання атомів і іонів одного і того ж хімічного елемента теоретично визначають їх відносну кількість. Воно є функцією температури. Так, по темних лініях спектрів зірок можна визначити температуру їхніх атмосфер.

У зірок однакової температури і кольору, але різної світності спектри загалом однакові, проте можна помітити відмінності у відносних інтенсивностях деяких ліній. Це відбувається від того, що при однаковій температурі тиск у їхніх атмосферах різному. Наприклад, в атмосферах зірок-гігантів тиск менше, вони розрідження. Якщо виразити цю залежність графічно, то за інтенсивністю ліній можна знайти абсолютну величину зірки, а далі за формулою (4) визначити відстань до неї.

Приклад рішення задачі

Завдання. Яка світність зірки ζ Скорпіона, якщо її видима зоряна величина 3, а відстань до неї 7500св. років?

Вправа 20

1. У скільки разів Сіріус яскравіше, ніж Альдебаран? Сонце яскравіше, ніж Сіріус?

2. Одна зірка яскравіша за іншу в 16 разів. Чому дорівнює різниця їх зоряних величин?

3. Паралакс Веги 0,11 ". Скільки часу світло від неї йде до Землі?

4. Скільки років треба було б летіти у напрямку до сузір'я Ліри зі швидкістю 30 км / с, щоб Вега стала вдвічі ближче?

5. У скільки разів зірка 3,4 зоряної величини слабкіше, ніж Сіріус, має видиму зоряну величину -1,6? Чому рівні абсолютні величини цих зірок, якщо відстань до обох становить 3 пк?

6. Назвіть колір кожної із зірок додатки IV по їх спектрального класу.

У якийсь момент життя кожен з нас ставив це питання: як довго летіти до зірок? Чи можна здійснити такий переліт за одне людське життя, чи можуть такі польоти стати нормою повсякденності? На це складне питання дуже багато відповідей, в залежності від того, хто запитує. Деякі прості, інші складніше. Щоб знайти вичерпну відповідь, занадто багато треба взяти до уваги.

На жаль, ніяких реальних оцінок, які допомогли б знайти таку відповідь, не існує, і це засмучує футурологів і ентузіастів міжзоряних подорожей. Подобається нам це чи ні, космос дуже великий (і складний), і наші технології все ще обмежені. Але якщо ми коли-небудь зважимося покинути «рідне гніздечко», у нас буде кілька способів дістатися до найближчої зоряної системи в нашій галактиці.

Найближчою зіркою до нашої Землі є Сонце, цілком собі «середня» зірка за схемою «головної послідовності» Герцшпрунга - Рассела. Це означає, що зірка дуже стабільна і забезпечує достатньо сонячного світла, щоб на нашій планеті розвивалося життя. Ми знаємо, що навколо зірок поруч з нашою Сонячною системою обертаються й інші планети, і багато хто з цих зірок схожі на нашу власну.

У майбутньому, якщо людство хоче покинути Сонячну систему, у нас буде величезний вибір зірок, на які ми могли б потрапити, і багато хто з них цілком можуть мати у своєму розпорядженні сприятливими для життя умовами. Але куди ми вирушимо і скільки часу у нас займе дорога туди? Не забувайте, що все це всього лише домисли, і немає ніяких орієнтирів для міжзоряних подорожей в даний час. Ну, як говорив Гагарін, поїхали!

Дотягнутися до зірки
Як уже зазначалося, найближча зірка до нашої Сонячної системи - це Проксима Центавра, і тому має великий сенс почати планування міжзоряного місії саме з неї. Будучи частиною потрійний зоряної системи Альфа Центавра, Проксима знаходиться в 4,24 світлових років (1,3 парсек) від Землі. Альфа Центавра - це, по суті, найяскравіша зірка з трьох в системі, частина тісному бінарної системи в 4,37 світлових років від Землі - тоді як Проксима Центавра (сама тьмяна з трьох) являє собою ізольований червоний карлик в 0,13 світлових років від подвійної системи.

І хоча бесіди про міжзоряних подорожах навіюють думки про всілякі подорожі «швидше за швидкість світла» (БСС), починаючи від варп-швидкостей і червоточини до подпространственних двигунів, такі теорії або надзвичайно вигадані (на кшталт двигуна Алькубьерре), або існують лише в науковій фантастиці . Будь-яка місія в глибокий космос розтягнеться на покоління людей.

Отже, якщо починати з однієї з найбільш повільних форм космічних подорожей, скільки часу буде потрібно, щоб дістатися до Проксіми Центавра?

сучасні методи

Питання оцінки тривалості переміщення в космосі куди простіше, якщо в ньому замішані існуючі технології і тіла в нашій Сонячній системі. Наприклад, використовуючи технологію, використовувану місією «Нових горизонтів», 16 двигунів на гідразіновом монотопліве, можна дістатися до Місяця всього за 8 годин і 35 хвилин.

Є також місія SMART-1 Європейського космічного агентства, яка рухалася до Місяця за допомогою іонної тяги. З цієї революційною технологією, варіант якої використовував також космічний зонд Dawn, щоб досягти Вести, місії SMART-1 знадобився рік, місяць і два тижні, щоб дістатися до Місяця.

Від швидкого ракетного космічного апарату до економного іонного двигуна, у нас є парочка варіантів пересування по місцевому космосу - плюс можна використовувати Юпітер або Сатурн як величезну гравітаційну рогатку. Проте, якщо ми плануємо вибратися трохи подалі, нам доведеться нарощувати міць технологій і вивчати нові можливості.

Коли ми говоримо про можливі методи, ми говоримо про тих, що втягують існуючі технології, або про тих, яких поки не існують, але які технічно здійсненні. Деякі з них, як ви побачите, перевірені часом і підтверджені, а інші поки залишаються під питанням. Якщо коротко, вони представляють можливий, але дуже витратний за часом і фінансів сценарій подорожі навіть до найближчої зірки.

іонну рух

Зараз найповільнішої і найекономічнішою формою двигуна є іонний двигун. Кілька десятиліть тому іонну рух вважалося предметом наукової фантастики. Але в останні роки технології підтримки іонних двигунів перейшли від теорії до практики, і вельми успішно. Місія SMART-1 Європейського космічного агентства - приклад успішно проведеної місії до Місяця за 13 місяців спірального руху від Землі.

SMART-1 використовувала іонні двигуни на сонячній енергії, в яких електроенергія збиралася сонячними батареями і використовувалася для живлення двигунів ефекту Холла. Щоб доставити SMART-1 на Місяць, треба було всього 82 кілограми ксенонового палива. 1 кілограм ксенонового палива забезпечує дельта-V в 45 м / с. Це вкрай ефективна форма руху, але далеко не найшвидша.

Однією з перших місій, які використовували технологію іонного двигуна, була місія Deep Space 1 до комети Бореллі в 1998 році. DS1 теж використовував ксенонове іонний двигун і витратив 81,5 кг палива. За 20 місяців тяги DS1 розвинув швидкість в 56 000 км / год на момент прольоту комети.

Іонні двигуни більш економічні, ніж ракетні технології, оскільки їх тяга на одиницю маси ракетного палива (питомий імпульс) набагато вище. Але іонним двигунам потрібно багато часу, щоб розігнати космічний апарат до істотних швидкостей, і максимальна швидкість залежить від паливної підтримки і обсягів вироблення електроенергії.

Тому, якщо використовувати іонну рух в місії до Проксіма Центавра, двигуни повинні мати потужне джерело енергії (ядерна енергія) і великі запаси палива (хоча і менше, ніж звичайні ракети). Але якщо відштовхуватися від допущення, що 81,5 кг ксенонового палива перекладається в 56 000 км / год (і не буде ніяких інших форм руху), можна зробити розрахунки.

На максимальній швидкості в 56 000 км / год Deep Space 1 треба було б 81 000 років, щоб подолати 4,24 світлових року між Землею і Проксіма Центавра. За часом це близько 2700 поколінь людей. Можна з упевненістю сказати, що міжпланетний іонний двигун буде занадто повільним для пілотованої міжзоряного місії.

Але якщо іонні двигуни будуть більший і потужніший (тобто швидкість результату іонів буде значно вище), якщо буде достатньо ракетного палива, якого вистачить на все 4,24 світлових року, час подорожі значно скоротиться. Але все одно залишиться значно більше терміну людського життя.

гравітаційний маневр

Найшвидший спосіб космічних подорожей - це використання гравітаційного маневру. Цей метод включає використання космічним апаратом відносного руху (тобто орбіту) і гравітації планети для зміни шляху і швидкості. Гравітаційні маневри є вкрай корисною технікою космічних польотів, особливо при використанні Землі або іншої масивної планети (на кшталт газового гіганта) для прискорення.

Космічний апарат Mariner 10 першим використав цей метод, використовуючи гравітаційну тягу Венери для розгону в сторону Меркурія в лютому 1974 року. У 1980-х зонд "Вояджер-1» використовував Сатурн і Юпітер для гравітаційних маневрів і розгону до 60 000 км / год з подальшим виходом в міжзоряний простір.

Місії Helios 2, яка почалася в 1976 році і мала дослідити міжпланетну середу між 0,3 а. е. і 1 а. е. від Сонця, належить рекорд найвищої швидкості, розвиненої за допомогою гравітаційного маневру. На той момент Helios 1 (запущеному в 1974 році) і Helios 2 належав рекорд найближчої підходу до Сонця. Helios 2 був запущений звичайної ракетою і виведений на сильно витягнуту орбіту.

Через велику ексцентриситету (0,54) 190-денний сонячної орбіти, в перигелії Helios 2 вдалося досягти максимальної швидкості понад 240 000 км / ч. Ця орбітальна швидкість була розвинена за рахунок тільки гравітаційного тяжіння Сонця. Технічно швидкість перигелію Helios 2 цієї статті не була результатом гравітаційного маневру, а максимальної орбітальною швидкістю, але апарат все одно утримує рекорд найшвидшого штучного об'єкта.

Якби «Вояджер-1» рухався в напрямку червоного карлика Проксіми Центавра з постійною швидкість в 60 000 км / год, йому треба було б 76 000 років (або понад 2500 поколінь), щоб подолати цю відстань. Але якби зонд розвинув рекордну швидкість Helios 2 - постійну швидкість в 240 000 км / год - йому треба було б 19 000 років (або понад 600 поколінь), щоб подолати 4,243 світлових року. Істотно краще, хоча і близько не практично.

Електромагнітний двигун EM Drive

Інший запропонований метод міжзоряних подорожей - це радіочастотний двигун з резонансною порожниною, відомий також як EM Drive. У запропонованого ще в 2001 році Роджером Шойер, британським вченим, який створив Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) для реалізації проекту, двигуна в основі лежить ідея того, що електромагнітні мікрохвильові порожнини дозволяють безпосередньо перетворювати електроенергію в тягу.

Якщо традиційні електромагнітні двигуни призначені для приведення в рух певної маси (на кшталт іонізованих частинок), конкретно ця рухова система не залежить від реакції маси і не випускає спрямованого випромінювання. Взагалі, цей двигун зустріли з неабиякою часткою скепсису багато в чому тому, що він порушує закон збереження імпульсу, згідно з яким імпульс системи залишається постійним і його не можна створити або знищити, а тільки змінити під дією сили.

Проте останні експерименти з цією технологією очевидно привели до позитивних результатів. У липні 2014 року, на 50-й конференції AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference в Клівленді, штат Огайо, вчені NASA, які займаються передовими реактивними розробками, заявили, що успішно випробували нову конструкцію електромагнітного двигуна.

У квітні 2015 року вчені NASA Eagleworks (частина Космічного центру ім. Джонсона) заявили, що успішно випробували цей двигун в вакуумі, що може вказувати на можливе застосування в космосі. У липні того ж року група вчених з відділення космічних систем Дрезденського технологічного університету розробила власну версію двигуна і спостерігала відчутну тягу.

У 2010 році професор Чжуан Янг з Північно-Західного політехнічного університету в Сіань, Китай, почала публікувати серію статей про свої дослідження технології EM Drive. У 2012 році вона повідомила про високу вхідний потужності (2,5 кВт) і зафіксованої тязі в 720 мн. У 2014 році вона також провела великі випробування, включаючи виміри внутрішньої температури з вбудованими термопарами, які показали, що система працює.

За розрахунками на базі прототипу NASA (якому дали оцінку потужності в 0,4 Н / кіловат), космічний апарат на електромагнітному двигуні може здійснити поїздку до Плутона менш ніж за 18 місяців. Це в шість разів менше, ніж було потрібно зонду «Нові горизонти», який рухався на швидкості 58 000 км / ч.

Звучить вражаюче. Але навіть в такому випадку корабель на електромагнітних двигунах буде летіти до Проксіма Центавра 13 000 років. Близько, але все ще недостатньо. Крім того, поки в цій технології не будуть розставлені всі крапки над е, рано говорити про її використанні.

Ядерне теплове і ядерне електричне рух

Ще одна можливість здійснити міжзоряний переліт - використовувати космічний апарат, оснащений ядерними двигунами. NASA десятиліттями вивчало такі варіанти. У ракеті на ядерному тепловому русі можна було б використовувати уранові або дейтерієву реактори, щоб нагрівати водень в реакторі, перетворюючи його в іонізований газ (плазму водню), який потім буде направлятися в сопло ракети, генеруючи тягу.

Ракета з ядерним електричним приводом включає той же реактор, що перетворює тепло і енергію в електроенергію, яка потім живить електродвигун. В обох випадках ракета буде покладатися на ядерний синтез або ядерне розподіл для створення тяги, а не на хімічне паливо, на якому працюють всі сучасні космічні агентства.

У порівнянні з хімічними двигунами, у ядерних є незаперечні переваги. По-перше, це практично необмежена енергетична щільність в порівнянні з ракетним паливом. Крім того, ядерний двигун також буде виробляти потужну тягу в порівнянні з використовуваним обсягом палива. Це дозволить скоротити обсяги необхідного палива, а разом з тим вага і вартість конкретного апарату.

Хоча двигуни на теплової ядерної енергії поки в космос не виходили, їх прототипи створювалися і випробовувалися, а пропонувалося їх ще більше.

І все ж, незважаючи на переваги в економії палива і питомому імпульсі, найкраща із запропонованих концепцій ядерного теплового двигуна має максимальну питому імпульс в 5000 секунд (50 кН · c / кг). Використовуючи ядерні двигуни, що працюють на ядерному розподілі або синтезі, вчені NASA могли б доставити космічний апарат на Марс всього за 90 днів, якщо Червона планета буде в 55 000 000 кілометрах від Землі.

Але якщо говорити про подорож до Проксіма Центавра, ядерної ракеті будуть потрібні століття, щоб розігнатися до істотної частки швидкості світла. Потім будуть потрібні кілька десятиліть шляху, а за ними ще багато століть гальмування на шляху до мети. Ми все ще в 1000 роках від пункту призначення. Що добре для міжпланетних місій, не так добре для міжзоряних.