Dokážeme poslať sondu k čiernej diere? Fyzik navrhol odvážnu misiu
Fyzik navrhuje vyslať gramovú sondu k čiernej diere vzdialenej 20 až 25 svetelných rokov. Misiu by poháňalo 100 miliónov laserov.
Čierne diery patria medzi najextrémnejšie objekty vo vesmíre. Za ich horizontom udalostí je gravitácia taká silná, že odtiaľ neunikne ani svetlo. Fyzici na nich preto skúšajú Einsteinovu teóriu všeobecnej relativity v podmienkach, ktoré v Slnečnej sústave nenájdeme.
Doteraz ich sledujeme iba z diaľky – cez pohyb hviezd, röntgenové žiarenie, gravitačné vlny či tmavé tiene v žiariacej hmote. Cosimo Bambi z čínskej Fudan University však v časopise iScience načrtol odvážnejší experiment. K čiernej diere chce poslať sondu.
Jej jadrom by bol približne gramový čip s navigáciou, komunikáciou a vedeckými senzormi. K nemu by sa pripojila extrémne tenká svetelná plachta z dielektrického metamateriálu s plochou okolo desiatich štvorcových metrov. Pozemská sústava laserov by sondu za 17 minút urýchlila na tretinu rýchlosti svetla.
K čiernej diere vzdialenej 20 až 25 svetelných rokov by letela asi 60 až 75 rokov. Signál s údajmi by potom potreboval ďalších 20 až 25 rokov na cestu späť. Od štartu po prvé výsledky by tak mohlo uplynúť celé storočie.
Najbližšiu známu čiernu dieru delí 1 560 svetelných rokov
Vo vzdialenosti 20 až 25 svetelných rokov zatiaľ žiadnu čiernu dieru nepoznáme. Najbližšia spoľahlivo potvrdená, Gaia BH1 v súhvezdí Hadonoša, leží 1 560 svetelných rokov od Zeme. Vedci ju odhalili podľa hviezdy, ktorá obieha okolo neviditeľného a mimoriadne hmotného objektu.
Neprehliadni
Gaia BH1 je najbližšia čierna diera, o ktorej dnes vieme. Bambi však odhaduje, že v Mliečnej ceste môže existovať až miliarda čiernych dier hviezdnej hmotnosti. Viac než 90 percent z nich zrejme nemá hviezdneho sprievodcu, ktorý by ich pohybom prezradil.
Vzdialenosť 20 až 25 svetelných rokov je štatistický odhad podľa predpokladaného počtu čiernych dier v Galaxii a hustoty hviezd v okolí Slnka. Najbližší objekt sa môže skrývať šesť až osem parsekov od nás, pokojne však môže byť aj podstatne ďalej.
Izolovaná čierna diera sama nesvieti, no pri pohybe cez medzihviezdny plyn môže zachytiť časť hmoty. Tá sa pri páde zahreje a začne vyžarovať. Röntgenové alebo iné observatóriá by takýto slabý zdroj mohli zachytiť, potom však treba dokázať, že nejde o iný nenápadný objekt.
„Vznikajú nové techniky na objavovanie čiernych dier,“ uviedol Bambi. „Myslím, že je rozumné predpokladať, že nejakú blízku nájdeme v priebehu nasledujúceho desaťročia.“
Sto miliónov laserov a účet za bilión eur
Laserová sústava schopná urýchliť gramovú sondu by pri dnešných cenách stála približne jeden bilión eur. Konfigurácia zo súčasných technológií by potrebovala asi 100 miliónov laserových zdrojov, ktoré by museli pracovať ako jeden celok.
Bambi počíta s tým, že cena jedného koherentného wattu laserového výkonu klesá približne na polovicu každé štyri roky. Ak by trend pokračoval ďalších 30 rokov, systém by mohol zlacnieť na jednu miliardu eur. To už zodpovedá rozpočtu veľkej kozmickej misie, no ide iba o projekciu.
Problémom je aj samotná plachta. Musí byť ľahká, vysoko odrazivá a odolná voči intenzívnemu žiareniu. Počas 17-minútového zrýchľovania sa nesmie prehriať, zdeformovať ani vypadnúť zo stredu lúča. Laser by navyše musel meniť smer, aby kompenzoval rotáciu Zeme.
Odchýlka na oblohe by sondu poslala miliardy kilometrov vedľa
Trafiť čiernu dieru na vzdialenosť desiatok svetelných rokov si vyžiada extrémne presnú navigáciu. Poznať iba súhvezdie nestačí.
Ak by astronómovia určili jej polohu s presnosťou jedného štvorcového stupňa, sonda by mohla cieľ minúť približne o 22-tisíc astronomických jednotiek. Jedna astronomická jednotka zodpovedá priemernej vzdialenosti Zeme od Slnka. V praxi by šlo o viac než tri bilióny kilometrov.
Presnosť jednej štvorcovej oblúkovej minúty by chybu znížila na približne 370 astronomických jednotiek. Aj to je priveľa. Gramový čip by preto musel mať vlastné senzory, zachytiť gravitačné pôsobenie neviditeľného objektu a upraviť kurz. Hviezda poskytne jasný bod, podľa ktorého sa dá orientovať. Izolovaná čierna diera takýto maják nemá.
Ako zabrzdiť pri 100-tisíc kilometroch za sekundu
Nanoproba by k čiernej diere dorazila rýchlosťou približne 100-tisíc kilometrov za sekundu. Štúdia zatiaľ neponúka spoľahlivý spôsob, ako ju zabrzdiť a dostať na obežnú dráhu.
Bez brzdenia by objekt iba preletela. Na merania by mala krátky čas a potom by pokračovala do medzihviezdneho priestoru. Bambi otvorene píše, že prechod z voľnej dráhy na obežnú môže byť najťažšou časťou celej misie.
Experiment by sa preto mohol zmeniť na rýchly prelet. Sonda by sa pred priblížením rozdelila na materskú časť s plachtou a niekoľko menších čipov. Vedci by sledovali ich pohyb a porovnali ho s dráhami, ktoré predpovedá Einsteinova teória. Materská časť by údaje zozbierala a odoslala na Zem.
Vedci chcú sledovať posledný signál pred pádom do čiernej diery
Sonda by najskôr preverila, či pozorovaný objekt vôbec zodpovedá tomu, čo si pod čiernou dierou predstavujeme. Jedným z hlavných cieľov by bola Kerrova metrika, ktorá opisuje zakrivenie priestoru a času okolo rotujúcej čiernej diery.
Pohyb sondy a zmeny jej signálu by vedci porovnali s matematickou predpoveďou. Odchýlka by mohla znamenať chybu v modeli alebo fyziku, ktorú dnešné teórie neobsahujú.
Ďalší experiment by preveril horizont udalostí. Čip padajúci smerom k čiernej diere by nepretržite vysielal elektromagnetický signál. Pre vzdialenejší prijímač by sa posúval k nižším frekvenciám a slabol, až by zmizol. Objekt bez skutočného horizontu by mohol vytvoriť iný priebeh.
Vedci by mohli otestovať aj základné fyzikálne konštanty. Presné meranie atómových prechodov by ukázalo, či atómy v blízkosti čiernej diery fungujú podľa rovnakých zákonov ako v laboratóriu na Zemi.
Bambi nepredstiera, že opisuje misiu pripravenú na štart. „Môže to znieť naozaj šialene, v istom zmysle bližšie k sci-fi,“ priznáva.
O osude návrhu rozhodne vývoj laserov, svetelných plachiet a miniatúrnej elektroniky počas nasledujúcich 20 až 30 rokov. Aj pri optimistickom scenári by sonda vypustená v druhej polovici storočia poslala prvé údaje na Zem až po roku 2150.
