Kategorie
Kosmologia

Wykrywanie statków kosmicznych

Jeśli użyjemy napędu fotonowego, około połowy twardego promieniowania gamma oraz cała reszta energii uzyskanej w wyniku anihilacji zamieni się w promieniowanie cieplne, które zostanie wyemitowane w przestrzeń kosmiczną przez radiatory. Ponieważ energia, którą można wypromieniować, jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury, korzystnie jest jak najbardziej rozgrzać radiatory. Maksymalną temperaturę systemu ogranicza wytrzymałość cieplna użytych materiałów i, według naszej obecnej wiedzy, wyniosłaby ona około 2800 K (~2500°C dla grafitu lub wolframu). Radiatory działające w tych temperaturach emitowałyby energię zarówno w paśmie widzialnym, jak i w podczerwieni. Światło, które wydzielałyby, byłoby łatwe do odróżnienia od emitowanego przez gwiazdy, gdyż w widmie nie pojawiłaby się linia wodoru. Do maksymalnego zwiększenia ciągu użyte zostaną reflektory (rozdział 9), które ukierunkują emitowane fotony w jak najbardziej skupioną wiązkę.

Jeżeli używany jest napęd termojądrowy, pojawi się promieniowanie cyklotronowe oraz promieniowanie hamowania, a ich częstość zależna będzie od temperatury plazmy. Optymalną reakcją fuzji na potrzeby lotów międzygwiezdnych jest D-3He, gdyż niemal cała energia wydziela się w postaci naładowanych cząstek, których pęd może zostać przekształcony w ciąg. Produkty tej reakcji – proton oraz cząsteczka alfa – mają energię, odpowiednio, 18 i 4,5 MeV. Można też oczekiwać promieni gamma o podobnych energiach. Niemniej optymalny stosunek energii do masy reaktora wykorzystującego takie paliwo uzyskamy wtedy, gdy temperatura plazmy utrzymywana będzie w okolicach 60 kiloelektronowoltów (keV). Emisja promieni hamowania z takiego reaktora zostanie zdominowana przez promieniowanie rentgenowskie o podobnej częstości.

Jak wcześniej zaznaczyłem, żagiel magnetyczny jest bardzo cenny dla podróży międzygwiezdnych ze względu na swą zdolność hamowania bez użycia paliwa. Można go użyć jako hamulca na statku o dowolnym napędzie – na antymaterię, syntezę termojądrową czy żagle słoneczne. Podczas hamowania magnetosfera żagla wytworzy falę uderzeniową, która podgrzeje ośrodek międzygwiazdowy do kilkuset keV, a nawet do kilku MeV, w zależności od prędkości statku. Wytworzona w ten sposób plazma napotka następnie pole magnetyczne żagla, w którym wytworzy promieniowanie cyklotronowe.

Dana Andrews wykazała, że trajektoria charakterystyczna statku kosmicznego wykorzystującego do hamowania żagiel magnetyczny zawsze będzie mieć postać:

gdzie W oznacza prędkość statku w danym momencie t po rozpoczęciu hamowania, Wo to prędkość w chwili rozpoczęcia manewru hamowania, a k jest stałą. Ponieważ natężenie pola magnetycznego wytwarzanego przez falę uderzeniową żagla magnetycznego będzie wprost proporcjonalne do prędkości statku, a częstość promieniowania cyklotronowego emitowanego przez plazmę będzie proporcjonalna do pola magnetycznego, dokonując pomiaru częstości promieniowania cyklotronowego możemy się dowiedzieć, z jaką prędkością leci statek. Jeżeli odkryjemy, że prędkość obiektu zmienia się w czasie zgodnie ze wzorem, będzie to oznaczało, iż patrzymy na żagiel magnetyczny.

Przedstawmy rozumowanie z poprzedniego akapitu inaczej. Częstość cyklotronowa emitowana przez żagiel magnetyczny nie zależy od konstrukcji statku, lecz od jego prędkości oraz (stałej i znanej) gęstości jonów w ośrodku międzygwiazdowym. Przy średniej gęstości jonów statek lecący z prędkością 0,l c wytwarzałby promieniowanie cyklotronowe o częstości 12 kHz.

Natężenie promieniowania emitowanego przez statek zależy od mocy oraz konstrukcji jego silników rakietowych. Jeżeli założymy, nieco arbitralnie, że sucha masa statku międzygwiezdnego wynosi milion ton, to oczekiwane natężenie różnych typów promieniowania, emitowanych przez różne systemy napędowe, podaje tabela.

Tabela. Charakterystyczne poziomy mocy napędów międzygwiezdnych.

Dla niektórych typów silników część siły odrzutu emitowaną w postaci pewnych rodzajów promieniowania można wyliczyć z dużą dokładnością. Tam, gdzie nie dało się uzyskać tej informacji, założyłem, że natężenie dominującego typu promieniowania właściwego dla silnika wynosi 10% siły odrzutu.

Dane w tabeli zostały obliczone przy założeniu, że statek odbywa misję, podczas której musi pokonać 6 lat świetlnych oraz że ma na tyle duży silnik, by mógł przyspieszyć od zera do maksymalnej prędkości w czasie nie dłuższym niż 1/4 czasu trwania podróży. Maksymalna prędkość W dla danego typu napędu jest największą, jakiej można się spodziewać przy charakterystycznej dla niego prędkości wylotowej U. W tabeli A jest maksymalnym wymaganym przyspieszeniem, Pjet to moc silnika w terawatach, a Prad – moc emitowanego przez silnik promieniowania przy różnych energiach. Widać, że rakiety na antymaterię emitują najwięcej promieniowania, z czego dużą część w postaci promieni gamma o energii 200 MeV.

Niestety, ponieważ każdy promień gamma niesie dużo energii, liczba fotonów emitowanych przy przelotach międzygwiezdnych jest mała, co utrudnia odróżnienie ich od szumów urządzeń pomiarowych i promieniowania tła. Przykładowo, statek kosmiczny emitujący 10 tysięcy TW promieni gamma o energii 200 MeV w odległości 1 roku świetlnego od Ziemi wytworzy strumień 7,5 fotona rocznie na metr kwadratowy powierzchni odbiornika. Byłby on, rzecz jasna, nie do wykrycia. W odróżnieniu od promieni gamma promieniowanie rentgenowskie może być do pewnego stopnia zbierane za pomocą odpowiednich teleskopów. Niemniej nawet używając teleskopu zdolnego skupić wiązkę metrowej średnicy do plamki o średnicy centymetra, emisja promieni X (promieniowania mierzonego w kilowoltach) różnych statków kosmicznych z tabeli byłaby niewykrywalna z odległości większej niż 10 lat świetlnych.

Wprawdzie emisja promieni gamma z silnika rakiety fotonowej na antymaterię byłaby niewykrywalna, zupełnie inną historią jest jednak wylotowe promieniowanie w paśmie widzialnym. Jeżeli rozważymy przykładową rakietę fotonową z tabeli, z siłą odrzutu równą 120 tysięcy TW, oraz przyjmiemy, że wykorzystuje ona odbijającą dyszę, skupiającą emitowane światło do stożka o rozwartości 30 stopni, będzie ona świecić w kierunku wylotu silników z efektywną mocą 1 800 000 TW. Taki obiekt w odległości roku świetlnego byłby widoczny na Ziemi jako źródło światła o jasności równej 17 wielkościom gwiazdowym i mógłby zostać wykryty za pomocą porządnego teleskopu amatorskiego. Pięciometrowy teleskop na Mount Palomar dostrzegłby taki statek z odległości 20 lat świetlnych, a Teleskop Hubble’a zarejestrowałby jego obecność z odległości 300 lat świetlnych.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *