Ранее рассказывалось, что проект микрозондов со световым парусом под названием Breakthrough Starshot вряд ли может помочь что-то узнать об обитаемости экзопланет. Но полезное применение для него возможно, которое в принципе может рассказать много нового об устройстве вселенной.
Конечно, требуется решение для упомянутых ранее сложностей, кроме того, изготовление светового паруса из графена хоть и станет возможным в самом ближайшем будущем, но и до этого момента, вероятно, пройдёт ещё несколько лет. После преодоления этих сложностей в любом случае таким способом станет достижима конечная скорость аппаратов, которой прежде никак достичь не удавалось. Именно в этом и состоит потенциальная возможность новых открытий.
Как ранее говорилось, конечное направление траектории таких микрозондов сложно обеспечить с точностью до долей градуса, а кроме того небольшие размеры самих аппаратов накладывают значительные ограничения на возможность получения изображений во многих диапазонах электромагнитных волн. Последняя проблема может быть в наименьшей степени актуальной для ультрафиолетового диапазона, для него требуется лишь предельно ровная поверхность зеркала, небольшая длина волны снижает дифракционный предел для небольших зеркал. Для более коротких волн есть свои сложности, например, для значительной части рентгеновского диапазона нереально достичь отражения заметной части излучения, падающего почти перпендикулярно зеркалу, а для гамма-диапазона классический вариант оптической системы и вовсе не осуществим.
Но тем не менее измерение интенсивности без получения изображения будет возможно и для гамма-диапазона, и для многих частиц, а кроме того возможно будет измерение магнитного поля. В целом получается сходство с методикой работы межпланетных аппаратов, исследующих небесные тела солнечной системы, особенно не совершающих посадку, а выполняющих наблюдения с орбиты, но объектом исследования в этом случае может стать галактика.
Естественно, преодолимое таким способом расстояние является всё равно достаточно не значительным по сравнению с размером галактики, но тем не менее гораздо более значительным по сравнению с аппаратами, ускорение которых осуществлялось ракетами с химическим топливом. Для ракетной тяги решающее значение имеет энергия топлива на единицу массы, итоговая скорость, как известно, равна
где v flow - скорость истечения топлива, m fuel - масса топлива, m rocket - масса ракеты. Это упрощённый способ вычисления без учёта ступеней ракеты, но он позволяет определить порядок затрат топлива.
Кинетическая энергия струи топлива не может превышать исходную величину химической энергии, определяемую через удельную теплоту сгорания q:
Если считать суммарную массу исходных веществ кислорода и водорода при их сгорании, то будет выделяться около 16 МДж/кг, значит для достижения второй космической скорости масса топлива должна превышать массу ракеты не менее, чем в 15 раз, для достижения третьей космической скорости - в 63 раза, а для четвёртой космической скорости, т. е. выхода из галактики, это число будет иметь более 50 нулей. Для скорости в 300 км секунду - более 300 ноннилионов раз. С учётом ступеней, гравитационных манёвров и возможности использования энергии солнца разница может быть несколько меньше, но очевидно, что даже 100 км/с потребовали б гигантского количества топлива.
Ситуация могла б поменяться, если б при сгорании топлива выделялось б более гигаджоуля на килограмм, но для химических реакций это невозможно. Поскольку перспективы безопасных атомных двигателей туманны, световой парус мог б позволить избежать неэффективного использования химического топлива для достижения большой скорости.
При разгоне микрозондов до 10% от скорости света они могли б проделать путь, пройденный к настоящему времени аппаратом Вояджер-2, за 8 дней. За те же 40 лет такие микрозонды смогли б проделать расстояние, с которого параллакс для центра галактики составит около 35 мкс, что по современным меркам достаточно много.
Конечно, расстояние до всех звёзд нашей галактики можно было б определить с высокой точностью уже через несколько лет такой миссии, и небольшое зеркало возможно применимого телескопа не было б значимым ограничением. Но стоит обратить внимание, в каком именно направлении отправка таких микрозондов может быть наиболее эффективной.
Определённо, наиболее сложным для наблюдения направлением является главная плоскость нашей галактики вблизи центра, что вызвано значительным количеством молекулярных туманностей. Для волн видимого и ультрафиолетового диапазонов приходится корректировать их влияние по данным других диапазонов. Плотность этих туманностей снижается по мере отдаления от главной плоскости галактики.
Конечно, для преодоления плотной области галактики при движении в направлении оси её вращения потребуется преодолеть расстояние примерно в 400 световых лет, что очень много даже для проекта Breakthrough Starshot. Но именно перемещение в направлении от главной плоскости галактики может позволить получить наиболее удобный для наблюдения параллакс.
Во-первых, будет возможность измерить интенсивность коротковолновых излучений в сравнении с их величиной в солнечной системе. Даже минимальное экранирование полусферы для рентгеновского диапазона могло б позволить оценить интенсивность этого излучения от Стрельца А*, либо от других галактик. Схожие измерения доступны для гамма-излучения и заряженных частиц, и хотя полного экранирования в этом случае достичь сложно, можно использовать изменение интенсивности при экранировании различных направлений.
Во-вторых, наблюдению в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах может помочь гравитационное линзирование. Если при наблюдении с нашей планеты и из её окрестностей этот эффект возможно использовать либо за счёт движения других небесных тел в нашей и других галактиках, либо за счёт движения солнечной системы вокруг центра галактики, такие микрозонды могут фиксировать большое количество моментов гравитационного линзирования, которые никогда не были б наблюдаемыми из солнечной системы.
В третьих, будет возможно исследование находящегося вблизи траектории движения межзвёздного вещества, хотя, таким зондам желательно избегать плотных молекулярных туманностей, поскольку в случае большой скорости повреждение возможно даже от мелких пылинок, а кроме того в таком случае гораздо выше вероятность столкновения с астероидом или метеороидом, которые могут быть фрагментами протозвёзд. Хотя, наблюдение процесса формирования звёзд вблизи может принести новые открытия.
Полагаю, больше всего открытий в таком случае может принести измерение интенсивности т. н. космических лучей. Происхождение ядер атомов самых высоких энергий в настоящее время остаётся загадкой. При этом есть сложность их наблюдения, ибо они в принципе являются редкими. Для охвата большого пространства, в котором они могли б периодически появляться, могли б помочь как раз умеренно плотные молекулярные туманности, если через таковые зонды будут в состоянии пролетать без значительных повреждений.
Другой способ может состоять в измерении количества частиц не очень высоких энергий в зависимости от расстояния до звёзд, которые тоже могли б быть их источниками. В этом случае интерес может представлять именно изменение интенсивности космических лучей в зависимости от расстояния до окрестных звёзд и местоположения в галактике. Выявление какой-либо закономерности в интенсивности частиц, не связанной с возможным количеством протуберанцев от окрестных звёзд, может дать подсказку о происхождение частиц наиболее высокой энергии.
Определённо дополнительные данные о нейтронных звёздах могут немало рассказать об устройстве вселенной, поскольку это та ситуация, где эффекты квантовой гравитации заметны. Но в то ж время подобные микрозонды на эту тему могут что-то узнать тоже только перечисленными выше способами, ибо даже таким путём невозможно преодолеть сколь-нибудь значительную часть расстояния до ближайших нейтронных звёзд.
