Sejak awal Zaman Angkasa, manusia bergantung pada roket kimia untuk masuk ke angkasa. Walaupun kaedah ini sememangnya berkesan, ia juga sangat mahal dan memerlukan banyak sumber. Ketika kita mencari cara yang lebih efisien untuk keluar ke angkasa, kita harus bertanya-tanya apakah spesies yang sama maju di planet lain (di mana keadaan akan berbeza) bergantung pada kaedah yang serupa.
Profesor Harvard Abraham Loeb dan Michael Hippke, seorang penyelidik bebas yang berafiliasi dengan Balai Cerap Sonneberg, keduanya membahas persoalan ini dalam dua makalah yang baru dikeluarkan. Walaupun Prof Loeb melihat tantangan yang akan dihadapi oleh orang luar yang melancarkan roket dari Proxima b, Hippke mempertimbangkan sama ada makhluk asing yang hidup di Bumi Super dapat masuk ke angkasa lepas.
Makalah-makalah tersebut, berjubin "Interstellar Escape from Proxima b is Hampir Tidak Mungkin dengan Roket Kimia" dan "Spaceflight dari Super-Earths sukar" baru-baru ini muncul dalam talian, dan masing-masing dikarang oleh Prof Loeb dan Hippke. Walaupun Loeb menangani cabaran roket kimia melarikan diri dari Proxima b, Hippke mempertimbangkan sama ada roket yang sama dapat mencapai kecepatan pelarian sama sekali atau tidak.
Untuk kajiannya, Loeb mempertimbangkan bagaimana kita manusia cukup beruntung untuk hidup di planet yang sangat sesuai untuk pelancaran ruang angkasa. Pada dasarnya, jika roket melarikan diri dari permukaan Bumi dan mencapai ruang angkasa, ia perlu mencapai halaju pelarian 11.186 km / s (40.270 km / j; 25.020 mph). Begitu juga, halaju pelarian yang diperlukan untuk menjauh dari lokasi Bumi di sekitar Matahari adalah sekitar 42 km / s (151.200 km / j; 93.951 mph).
Seperti yang dikatakan oleh Prof Loeb kepada Space Magazine melalui e-mel:
"Penggerak kimia memerlukan jisim bahan bakar yang tumbuh secara eksponen dengan kelajuan terminal. Secara kebetulan, kelajuan melarikan diri dari orbit Bumi di sekitar Matahari berada pada had laju yang dapat dicapai oleh roket kimia. Tetapi zon yang dapat dihuni di sekitar bintang-bintang lemah semakin dekat, menjadikannya lebih sukar bagi roket kimia untuk melepaskan diri dari lubang graviti yang lebih dalam di sana. "
Seperti yang ditunjukkan oleh Loeb dalam karangannya, skala kelajuan melarikan diri sebagai akar kuadrat dari massa bintang pada jarak dari bintang, yang menunjukkan bahawa kelajuan melarikan diri dari skala zon yang dapat dihuni secara terbalik dengan jisim bintang menjadi kekuatan satu perempat. Untuk planet seperti Bumi, yang mengorbit di zon yang dapat dihuni bintang jenis G (kuning kerdil) seperti Matahari kita, ini dapat berjalan lama.
Malangnya, ini tidak berfungsi dengan baik untuk planet daratan yang mengorbit bintang jenis M-massa (kerdil merah). Bintang-bintang ini adalah jenis yang paling biasa di Alam Semesta, merangkumi 75% bintang di Galaksi Bima Sakti sahaja. Di samping itu, tinjauan exoplanet baru-baru ini telah menemui sejumlah besar planet berbatu yang mengorbit sistem bintang kerdil merah, dengan beberapa saintis menjelajah bahawa mereka adalah tempat paling mungkin untuk mencari planet berbatu yang berpotensi dihuni.
Dengan menggunakan bintang yang paling dekat dengan kita sebagai contoh (Proxima Centauri), Loeb menjelaskan bagaimana roket yang menggunakan bahan pendorong kimia akan mempunyai masa yang lebih sukar untuk mencapai halaju pelarian dari planet yang terletak di dalam zon yang dapat dihuni.
"Bintang terdekat dengan Matahari, Proxima Centauri, adalah contoh untuk bintang samar dengan hanya 12% jisim Matahari," katanya. "Beberapa tahun yang lalu, ditemukan bahawa bintang ini memiliki planet berukuran Bumi, Proxima b, di zon yang dapat dihuni, yang 20 kali lebih dekat daripada pemisahan Bumi dari Matahari. Di lokasi itu, kelajuan melarikan diri adalah 50% lebih besar daripada dari orbit Bumi di sekitar Matahari. Peradaban di Proxima b akan sukar melarikan diri dari lokasi mereka ke ruang antara bintang dengan roket kimia. "
Makalah Hippke, sebaliknya, bermula dengan menganggap bahawa Bumi sebenarnya bukan jenis planet yang paling boleh dihuni di Alam Semesta kita. Sebagai contoh, planet yang lebih besar daripada Bumi akan mempunyai graviti permukaan yang lebih tinggi, yang berarti mereka akan dapat menahan atmosfer yang lebih tebal, yang akan memberikan pelindung yang lebih besar terhadap sinar kosmik dan radiasi matahari yang berbahaya.
Di samping itu, sebuah planet dengan graviti yang lebih tinggi akan mempunyai topografi yang lebih rata, yang mengakibatkan kepulauan dan bukannya benua dan lautan dangkal - keadaan ideal untuk kepelbagaian biologi. Namun, ketika melancarkan roket, gravitasi permukaan yang meningkat juga bermaksud halaju pelarian yang lebih tinggi. Seperti yang ditunjukkan oleh Hippke dalam kajiannya:
"Roket mengalami persamaan Tsiolkovsky (1903): jika roket membawa bahan bakarnya sendiri, nisbah jumlah jisim roket berbanding halaju akhir adalah fungsi eksponensial, menjadikan kecepatan tinggi (atau muatan berat) semakin mahal."
Sebagai perbandingan, Hippke menggunakan Kepler-20 b, Bumi Super yang terletak 950 tahun cahaya yang berjarak 1.6 kali radius Bumi dan 9.7 kali jisimnya. Walaupun kecepatan melarikan diri dari Bumi kira-kira 11 km / s, roket yang berusaha meninggalkan Bumi Super yang serupa dengan Kepler-20 b perlu mencapai kecepatan pelarian ~ 27.1 km / s. Akibatnya, roket satu tahap pada Kepler-20 b harus membakar 104 kali lebih banyak bahan bakar daripada roket di Bumi untuk masuk ke orbit.
Untuk meletakkannya dalam perspektif, Hippke menganggap muatan tertentu dilancarkan dari Bumi. "Untuk mengangkat muatan yang lebih berguna 6.2 t seperti yang diperlukan untuk Teleskop Angkasa James Webb di Kepler-20 b, jisim bahan bakar akan meningkat menjadi 55.000 t, mengenai massa kapal perang laut terbesar," tulisnya. "Untuk misi bulan Apollo klasik (45 t), roket itu perlu jauh lebih besar, ~ 400.000 t."
Walaupun analisis Hippke menyimpulkan bahawa roket kimia masih membenarkan kelajuan melarikan diri di Bumi Super hingga 10 jisim Bumi, jumlah propelan yang diperlukan menjadikan kaedah ini tidak praktikal. Seperti yang ditunjukkan oleh Hippke, ini boleh memberi kesan serius terhadap perkembangan tamadun asing.
"Saya terkejut melihat seberapa dekat kita sebagai manusia untuk berakhir di planet yang masih cukup ringan untuk melakukan penerbangan luar angkasa," katanya. "Tamadun lain, jika ada, mungkin tidak begitu beruntung. Pada planet yang lebih besar, penerbangan angkasa akan lebih mahal. Tamadun seperti itu tidak akan memiliki TV satelit, misi bulan, atau Teleskop Angkasa Hubble. Ini harus mengubah cara pengembangan mereka dengan cara tertentu yang kini dapat kita analisis dengan lebih terperinci. "
Kedua-dua makalah ini menyajikan beberapa implikasi yang jelas ketika mencari intelijen luar-bumi (SETI). Sebagai permulaan, ini bermaksud bahawa peradaban di planet-planet yang mengorbit bintang kerdil merah atau Bumi Super cenderung tidak sesuai dengan ruang, yang akan menjadikan pengesanannya lebih sukar. Ini juga menunjukkan bahawa ketika berkaitan dengan jenis dorongan yang biasa diketahui oleh manusia, kita mungkin berada dalam kelompok minoritas.
"Hasil di atas menunjukkan bahawa penggerak kimia mempunyai kegunaan yang terbatas, jadi masuk akal untuk mencari isyarat yang berkaitan dengan lampu sorot atau mesin nuklear, terutama di dekat bintang kerdil," kata Loeb. "Tetapi ada juga implikasi menarik untuk masa depan peradaban kita sendiri."
"Satu akibat dari makalah ini adalah untuk penjajahan ruang dan SETI," tambah Hippke. “Civs dari Super-Earths cenderung untuk meneroka bintang-bintang. Sebaliknya, mereka akan (sampai tahap tertentu) "ditangkap" di planet asal mereka, dan mis. menggunakan lebih banyak laser atau teleskop radio untuk komunikasi antara bintang dan bukannya menghantar probe atau kapal angkasa. "
Walau bagaimanapun, Loeb dan Hippke juga memperhatikan bahawa peradaban luar daratan dapat mengatasi cabaran ini dengan menggunakan kaedah pendorong lain. Pada akhirnya, penekanan kimia mungkin merupakan sesuatu yang tidak dapat diterima pakai oleh beberapa spesies maju teknologi kerana ia tidak praktikal bagi mereka. Seperti yang dijelaskan oleh Loeb:
“Peradaban luar angkasa yang maju dapat menggunakan kaedah pendorong lain, seperti mesin nuklear atau lampu sorot yang tidak dibatasi oleh batasan yang sama dengan penggerak kimia dan dapat mencapai kecepatan setinggi sepersepuluh dari kecepatan cahaya. Peradaban kita pada masa ini sedang mengembangkan teknologi pendorong alternatif ini tetapi usaha ini masih di peringkat awal. "
Salah satu contohnya ialah Breakthrough Starshot, yang kini sedang dibangunkan oleh Breakthrough Prize Foundation (di mana Loeb adalah ketua Jawatankuasa Penasihat). Inisiatif ini bertujuan untuk menggunakan lampu sorotan laser untuk mempercepat nanokraft hingga kelajuan 20% kelajuan cahaya, yang akan membolehkannya melakukan perjalanan ke Proxima Centauri hanya dalam 20 tahun.
Hippke juga menganggap roket nuklear sebagai kemungkinan yang layak, kerana peningkatan graviti permukaan juga bermaksud bahawa lif ruang tidak praktikal. Loeb juga menunjukkan bahawa batasan-batasan yang dikenakan oleh planet-planet di sekitar bintang berjisim rendah boleh memberi kesan ketika manusia berusaha menjajah Alam Semesta yang diketahui:
"Ketika matahari akan cukup panas untuk mendidih semua air dari muka Bumi, kita dapat berpindah ke rumah baru pada waktu itu. Beberapa destinasi yang paling diingini adalah sistem pelbagai planet di sekitar bintang berjisim rendah, seperti bintang kerdil TRAPPIST-1 yang berdekatan dengan berat 9% jisim suria dan menampung tujuh planet bersaiz Bumi. Sebaik sahaja kita sampai di zon TRAPPIST-1 yang dapat dihuni, tidak akan tergesa-gesa untuk melarikan diri. Bintang-bintang seperti itu membakar hidrogen dengan perlahan sehingga dapat menghangatkan kita selama sepuluh trilion tahun, kira-kira seribu kali lebih lama daripada jangka hayat matahari. ”
Tetapi sementara itu, kita dapat dengan tenang mengetahui bahawa kita hidup di planet yang dapat dihuni di sekitar bintang kerdil kuning, yang memberi kita bukan hanya kehidupan, tetapi kemampuan untuk keluar ke angkasa dan menjelajah. Seperti biasa, ketika mencari tanda-tanda kehidupan luar bumi di Alam Semesta kita, kita manusia terpaksa mengambil "pendekatan buah gantung rendah".
Pada dasarnya, satu-satunya planet yang kita ketahui yang menyokong kehidupan adalah Bumi, dan satu-satunya kaedah penerokaan angkasa yang kita tahu bagaimana mencari adalah yang kita sendiri telah cuba dan diuji. Akibatnya, kita agak terbatas ketika mencari biosignature (iaitu planet dengan air cair, atmosfer oksigen dan nitrogen, dll.) Atau teknosignature (iaitu transmisi radio, roket kimia, dll.).
Oleh kerana pemahaman kita tentang keadaan apa yang boleh muncul dalam kehidupan, dan kemajuan teknologi kita sendiri, kita akan lebih banyak memperhatikan. Dan mudah-mudahan, di sebalik cabaran tambahan yang mungkin dihadapi, kehidupan di luar bumi akan mencari kita!
Karangan Professor Loeb juga baru-baru ini diterbitkan dalam Scientific American.
