منذ بداية عصر الفضاء ، اعتمد البشر على الصواريخ الكيميائية للوصول إلى الفضاء. في حين أن هذه الطريقة فعالة بالتأكيد ، إلا أنها مكلفة للغاية وتتطلب قدرًا كبيرًا من الموارد. بينما نتطلع إلى وسائل أكثر كفاءة للخروج إلى الفضاء ، يجب على المرء أن يتساءل عما إذا كانت الأنواع المتقدمة بالمثل على الكواكب الأخرى (حيث ستكون الظروف مختلفة) ستعتمد على طرق مماثلة.
تناول كل من البروفيسور هارفارد أبراهام لوب ومايكل هيبك ، الباحث المستقل المنتسب إلى مرصد سونبرغ ، هذا السؤال في ورقتين تم نشرهما مؤخرًا. في حين ينظر البروفيسور لوب في التحديات التي ستواجهها الكائنات الفضائية الخارجة من إطلاق صواريخ من Proxima b ، فإن Hippke تدرس ما إذا كان الأجانب الذين يعيشون على الأرض الفائقة سيكونون قادرين على الوصول إلى الفضاء.
ظهرت الأوراق المبلطة "الهروب بين النجوم من Proxima b بالكاد ممكن مع الصواريخ الكيميائية" و "رحلة الفضاء من Super-Earths صعبة" ظهرت مؤخرًا على الإنترنت ، وقد قام بتأليفها الأستاذ لوب وهيبك ، على التوالي. في حين أن لوب يعالج تحديات الصواريخ الكيميائية التي تهرب من Proxima b ، فإن Hippke تدرس ما إذا كانت نفس الصواريخ قادرة على تحقيق سرعة الهروب على الإطلاق أم لا.
من أجل دراسته ، نظر لوب في كيف نحن البشر محظوظون بما يكفي للعيش على كوكب مناسب تمامًا لإطلاق الفضاء. بشكل أساسي ، إذا أراد الصاروخ الهروب من سطح الأرض والوصول إلى الفضاء ، فيجب أن يحقق سرعة هروب 11.186 كم / ثانية (40.270 كم / ساعة ؛ 25.020 ميل في الساعة). وبالمثل ، فإن سرعة الهروب اللازمة للابتعاد عن موقع الأرض حول الشمس هي حوالي 42 كم / ثانية (151200 كم / ساعة ؛ 93،951 ميل في الساعة).
كما أخبر البروفيسور لوب مجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
يتطلب الدفع الكيميائي كتلة وقود تنمو بشكل مطرد مع السرعة النهائية. بمصادفة محظوظة ، فإن سرعة الهروب من مدار الأرض حول الشمس هي في حدود السرعة التي يمكن تحقيقها بالصواريخ الكيميائية. لكن المنطقة الصالحة للسكن حول النجوم الباهتة أقرب ، مما يجعل من الصعب على الصواريخ الكيميائية الهروب من حفرة الجاذبية العميقة هناك. "
كما يشير لوب في مقاله ، فإن سرعة الهروب تتطور كجذر تربيعي للكتلة النجمية على مسافة من النجم ، مما يعني أن سرعة الهروب من موازين المنطقة الصالحة للسكن تتناسب عكسيًا مع الكتلة النجمية إلى قوة الربع. بالنسبة للكواكب مثل الأرض ، التي تدور في المنطقة الصالحة للسكن لنجم من نوع G (قزم أصفر) مثل شمسنا ، فإن هذا يعمل بشكل جيد.
لسوء الحظ ، هذا لا يعمل بشكل جيد بالنسبة للكواكب الأرضية التي تدور حول نجوم من النوع M ذات الكتلة المنخفضة (قزم أحمر). هذه النجوم هي النوع الأكثر شيوعًا في الكون ، حيث تمثل 75٪ من النجوم في مجرة درب التبانة وحدها. بالإضافة إلى ذلك ، اكتشفت مسوحات الكواكب الخارجية الأخيرة عددًا كبيرًا من الكواكب الصخرية التي تدور حول أنظمة النجوم القزمة الحمراء ، حيث يغامر بعض العلماء بأن يكونوا المكان الأكثر احتمالًا للعثور على الكواكب الصخرية التي يمكن أن تكون صالحة للسكن.
باستخدام أقرب نجم لنا كمثال (Proxima Centauri) ، يشرح لوب كيف أن الصاروخ الذي يستخدم الوقود الكيميائي سيجد صعوبة أكبر بكثير في تحقيق سرعة الهروب من كوكب يقع داخل منطقته الصالحة للسكن.
وقال: "أقرب نجم للشمس ، بروكسيما سنتوري ، هو مثال لنجم باهت لا يحتوي إلا على 12٪ من كتلة الشمس". "قبل عامين ، تم اكتشاف أن هذا النجم يحتوي على كوكب بحجم الأرض ، Proxima b ، في منطقته الصالحة للسكن ، وهو أقرب 20 مرة من فصل الأرض عن الشمس. في هذا الموقع ، تكون سرعة الهروب أكبر بنسبة 50٪ من مدار الأرض حول الشمس. سوف تجد حضارة على Proxima b صعوبة في الهروب من موقعها إلى الفضاء بين النجوم بالصواريخ الكيميائية. "
من ناحية أخرى ، تبدأ ورقة هيبكي بالنظر إلى أن الأرض قد لا تكون في الواقع النوع الأكثر قابلية للسكن من كوكبنا. على سبيل المثال ، الكواكب الأكثر ضخامة من الأرض سيكون لها جاذبية سطح أعلى ، مما يعني أنها ستكون قادرة على التمسك بجو أكثر سمكًا ، مما يوفر حماية أكبر ضد الأشعة الكونية الضارة والإشعاع الشمسي.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن كوكبًا ذا جاذبية أعلى سيكون له تضاريس أكثر تسطحًا ، مما يؤدي إلى أرخبيل بدلاً من القارات والمحيطات الضحلة - وهو وضع مثالي حيث يتعلق التنوع البيولوجي. ومع ذلك ، عندما يتعلق الأمر بإطلاق الصواريخ ، فإن زيادة الجاذبية السطحية تعني أيضًا سرعة هروب أعلى. كما أشار Hippke في دراسته:
"تعاني الصواريخ من معادلة تسيولكوفسكي (1903): إذا كان الصاروخ يحمل وقوده الخاص ، فإن نسبة كتلة الصاروخ الإجمالية مقابل السرعة النهائية هي دالة أسية ، مما يجعل السرعات العالية (أو الحمولات الثقيلة) باهظة الثمن بشكل متزايد."
للمقارنة ، تستخدم Hippke Kepler-20 b ، وهي أرض فائقة تقع على بعد 950 سنة ضوئية تبلغ 1.6 ضعف نصف قطر الأرض و 9.7 مرة كتلتها. في حين أن سرعة الهروب من الأرض تبلغ تقريبًا 11 كم / ثانية ، فإن الصاروخ الذي يحاول مغادرة Super-Earth يشبه Kepler-20 b يحتاج إلى تحقيق سرعة هروب تصل إلى ~ 27.1 كم / ثانية. ونتيجة لذلك ، سيتعين على صاروخ أحادي المرحلة على Kepler-20 b حرق 104 أضعاف كمية الوقود مثل الصاروخ على الأرض للوصول إلى المدار.
لوضعها في الاعتبار ، تنظر Hippke في حمولات محددة يتم إطلاقها من الأرض. ويكتب: "لرفع حمولة أكثر فائدة تبلغ 6.2 طن كما هو مطلوب لتلسكوب جيمس ويب الفضائي على كيبلر -20 ب ، ستزيد كتلة الوقود إلى 55000 طن ، حول كتلة أكبر السفن الحربية في المحيطات". "بالنسبة لمهمة أبولو القمر الكلاسيكية (45 طنًا) ، يجب أن يكون الصاروخ أكبر بكثير ، 400000 طن تقريبًا."
بينما يستنتج تحليل هيبكي أن الصواريخ الكيميائية ستظل تسمح بسرعات الهروب على الأرض الفائقة حتى 10 كتل أرضية ، فإن كمية الوقود الدافع اللازمة تجعل هذه الطريقة غير عملية. كما أشار Hippke ، يمكن أن يكون لهذا تأثير خطير على تطور حضارة غريبة.
وقال "أنا مندهش لرؤية مدى قربنا كبشر في نهاية المطاف على كوكب لا يزال خفيف الوزن بشكل معقول للقيام برحلات فضائية". "الحضارات الأخرى ، إن وجدت ، قد لا تكون محظوظة بنفس القدر. على الكواكب الأكثر ضخامة ، ستكون رحلة الفضاء أكثر تكلفة بشكل كبير. مثل هذه الحضارات لن يكون لها تلفزيون مع قنوات فضائية أو مهمة قمرية أو تلسكوب هابل الفضائي. هذا يجب أن يغير طريقة تطورهم بطرق معينة يمكننا الآن تحليلها بمزيد من التفصيل ".
تقدم كل من هاتين الورقتين بعض الآثار الواضحة عندما يتعلق الأمر بالبحث عن الذكاء خارج الأرض (SETI). بالنسبة للمبتدئين ، هذا يعني أن الحضارات على الكواكب التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء أو الأرض الفائقة أقل احتمالًا أن تكون مسافرة في الفضاء ، مما يجعل اكتشافها أكثر صعوبة. كما يشير إلى أنه عندما يتعلق الأمر بأنواع الدفع التي تعرفها الإنسانية ، فقد نكون أقلية.
قال لوب: "تشير النتائج المذكورة أعلاه إلى أن الدفع الكيميائي له فائدة محدودة ، لذلك سيكون من المنطقي البحث عن الإشارات المرتبطة بالأضواء الساطعة أو المحركات النووية ، خاصة بالقرب من النجوم القزمة". "ولكن هناك أيضا آثار مثيرة للاهتمام لمستقبل حضارتنا."
وأضاف هيبكي أن "إحدى نتائج البحث هي استعمار الفضاء و SETI". "Civs من Super-Earths أقل احتمالًا بكثير لاستكشاف النجوم. بدلاً من ذلك ، سيتم "القبض عليهم" (إلى حد ما) على كوكبهم الأصلي ، على سبيل المثال زيادة استخدام الليزر أو التلسكوبات الراديوية للاتصال بين النجوم بدلاً من إرسال مجسات أو سفن فضائية ".
ومع ذلك ، يشير كل من لوب وهيبك أيضًا إلى أن الحضارات خارج الأرض يمكن أن تتصدى لهذه التحديات من خلال اعتماد طرق دفع أخرى. في النهاية ، قد يكون الدفع الكيميائي شيئًا سيتبناه القليل من الأنواع المتقدمة تقنيًا لأنه ببساطة ليس عمليًا لها. كما أوضح لوب:
"يمكن لحضارة متطورة خارج كوكب الأرض أن تستخدم طرق دفع أخرى ، مثل المحركات النووية أو الأضواء المتعرجة التي لا تقيدها نفس القيود مثل الدفع الكيميائي ويمكن أن تصل إلى سرعات تصل إلى عشر سرعة الضوء. تقوم حضارتنا حاليًا بتطوير تقنيات الدفع البديلة هذه ، لكن هذه الجهود لا تزال في مهدها. "
أحد الأمثلة على ذلك هو Breakthrough Starshot ، والذي يتم تطويره حاليًا بواسطة مؤسسة Breakthrough Prize Foundation (التي يرأسها لوب اللجنة الاستشارية). تهدف هذه المبادرة إلى استخدام مصباح الإنارة المدفوع بالليزر لتسريع المركبات النانوية بسرعة تصل إلى 20٪ من سرعة الضوء ، مما سيسمح لها بالسفر إلى بروكسيما سنتوري في غضون 20 عامًا فقط.
وبالمثل يعتبر هيبكي الصواريخ النووية احتمالًا قابلاً للتطبيق ، لأن زيادة الجاذبية السطحية ستعني أيضًا أن المصاعد الفضائية ستكون غير عملية. أشار لويب أيضًا إلى أن القيود التي تفرضها الكواكب حول النجوم ذات الكتلة المنخفضة يمكن أن يكون لها تداعيات عندما يحاول البشر استعمار الكون المعروف:
"عندما تسخن الشمس بما يكفي لغلي كل الماء على وجه الأرض ، يمكننا الانتقال إلى منزل جديد بحلول ذلك الوقت. بعض أكثر الوجهات المرغوبة هي أنظمة الكواكب المتعددة حول النجوم منخفضة الكتلة ، مثل النجم القزم القريب TRAPPIST-1 الذي يزن 9٪ من الكتلة الشمسية ويستضيف سبعة كواكب بحجم الأرض. بمجرد أن نصل إلى منطقة TRAPPIST-1 الصالحة للسكن ، فلن يكون هناك اندفاع للهروب. مثل هذه النجوم تحرق الهيدروجين ببطء شديد بحيث يمكنها أن تبقينا دافئين لمدة عشرة تريليون سنة ، أي حوالي ألف مرة أطول من عمر الشمس. "
ولكن في غضون ذلك ، يمكننا أن نرتاح بسهولة مع العلم أننا نعيش على كوكب صالح للسكن حول نجم قزم أصفر ، لا يمنحنا الحياة فحسب ، بل القدرة على الخروج إلى الفضاء والاستكشاف. كما هو الحال دائمًا ، عندما يتعلق الأمر بالبحث عن علامات الحياة خارج الأرض في كوننا ، فإننا البشر مضطرون إلى اتباع "نهج الفاكهة المنخفضة المعلقة".
في الأساس ، فإن الكوكب الوحيد الذي نعرفه والذي يدعم الحياة هو الأرض ، والوسيلة الوحيدة لاستكشاف الفضاء التي نعرف كيف نبحث عنها هي تلك التي جربناها واختبرناها. نتيجة لذلك ، نحن محدودون إلى حد ما عندما يتعلق الأمر بالبحث عن التوقيعات الحيوية (أي الكواكب ذات الماء السائل والأكسجين وأجواء النيتروجين ، وما إلى ذلك) أو التواقيع التكنولوجية (أي الإرسال اللاسلكي والصواريخ الكيميائية ، وما إلى ذلك).
نظرًا لفهمنا للظروف التي يمكن أن تظهر فيها الحياة في ظل الزيادات ، والتقدم التكنولوجي الخاص بنا ، سيكون لدينا المزيد لنبحث عنه. ونأمل ، على الرغم من التحديات الإضافية التي قد تواجهها ، فإن الحياة خارج الأرض سوف تبحث عنا!
مقال البروفيسور لوب تم نشره مؤخرًا في مجلة Scientific American.
