Baseballiści wiedzą, że piłka lecąca w górę w końcu spadnie. Ale ich doświadczenie ogranicza się do prędkości do 106 mil na godzinę – Rekord Guinnessa w najszybszym rzucie piłką baseballową w historii, czyli 122 mil na godzinę dla najmocniej uderzonej piłki. W przeliczeniu na jednostki metryczne odpowiada to maksymalnej prędkości 0,055 kilometra na sekundę.
Piłka poruszająca się z prędkością 200 razy większą nad ziemską atmosferą uciekłaby z łańcuchów ziemskiej grawitacji i nigdy by nie wróciła. Prędkość ucieczki wynosząca 11 kilometrów na sekundę jest warunkiem wstępnym dla misji kosmicznych w obrębie Układu Słonecznego. Wyjście poza Układ Słoneczny wymaga większej prędkości startowej. Aby statek kosmiczny mógł dotrzeć do przestrzeni międzygwiezdnej z orbity Ziemi, musi uzyskać prędkość 42 kilometrów na sekundę względem Słońca.
Prędkości te obowiązują również w odwrotnym kierunku. Meteory docierają do ziemskiej atmosfery z prędkością przekraczającą 11 kilometrów na sekundę. Każdy obiekt międzygwiezdny, taki jak `Oumuamua, dotarłby na odległość Ziemi od Słońca z prędkością ponad 42 kilometrów na sekundę. W rezultacie meteory międzygwiezdne są szybsze niż meteory Układu Słonecznego. Fakt, że dwa meteory międzygwiezdne, IM1 i IM2, zachowały swoją integralność aż do dolnej atmosfery, co sugeruje, że są one twardsze niż wszystkie inne 271 skał kosmicznych w NASA. CNEOS kul ognistych, jak pokazałem w artykule z moim studentem, Amirem Sirajem.
Ale jaka jest wymagana prędkość startowa do podróży poza galaktykę Drogi Mlecznej? Najszybciej związane gwiazdy w pobliżu Słońca zostały zmierzone najbardziej wiarygodnie przez sondę ESA Gaia sugerując, że prędkość ucieczki z Drogi Mlecznej wynosi 500 kilometrów na sekundę. To około trzydzieści razy szybciej niż prędkość naszej najnowszej sondy międzygwiezdnej, New Horizons, względem Słońca.
Jak dotąd ludzkość nigdy nie próbowała wystrzelić statku kosmicznego, który mógłby uciec z galaktyki Drogi Mlecznej. Ale w przyszłości może się to udać. Naiwnie można by oczekiwać, że taki statek kosmiczny dotrze do dalszych międzygalaktycznych miejsc docelowych w dłuższych okresach podróży. Jednak to naiwne oczekiwanie nie zostanie zrealizowane z powodu ekspansji Wszechświata.
George Lemaitre oraz Edwin Hubble wykazał, że prędkość recesji odległych galaktyk jest proporcjonalna do ich odległości od nas. Lokalna stała proporcjonalności między prędkością recesji a odległością jest nazywana stałą Hubble’a. Zmierzono, że ma ona wartość ok. 70 kilometrów na sekundę na megaparsek, gdzie megaparsek to jednostka odległości równa 3,3 miliona lat świetlnych.
Odwracając w naszym umyśle kosmiczną historię w czasie, zdajemy sobie sprawę, że cała materia nałożyła się na siebie i osiągnęła nieskończoną gęstość w jednym momencie w naszej przeszłości, zwanym Wielki Wybuch. Okres, który upłynął od Wielkiego Wybuchu, to w przybliżeniu odległość oddalających się galaktyk podzielona przez ich kosmiczną prędkość recesji, czyli odwrotność stałej Hubble’a. Biorąc pod uwagę stosunek megaparseków do 70 kilometrów na sekundę, wiek kosmosu wynosi 14 miliardów lat. Co ciekawe, mieści się on w granicach 2% dokładnego wieku wyznaczonego przez 13,8 miliarda lat na podstawie danych satelity Planck dotyczących kosmicznego mikrofalowego tła.
Aby statek kosmiczny mógł dogonić odległą galaktykę, musi poruszać się szybciej niż prędkość recesji tej galaktyki. Ale biorąc pod uwagę przyspieszony ekspansji Wszechświata, zadanie jest jeszcze bardziej zniechęcające. Najlepsze obecne pomiary sugerują, że w przyszłości kosmiczna ekspansja będzie miała charakter wykładniczy. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak szybko wystartujemy i jak długo będziemy czekać, statek kosmiczny nigdy nie dogoni galaktyk znajdujących się dalej niż pewna odległość od nas. Wynika to z faktu, że odległe galaktyki będą ostatecznie oddalać się od nas szybciej niż światło w wyniku przyspieszonej ekspansji kosmicznej.
Na podstawie prostych obliczeń ogólnorelatywistycznych, które przeprowadziłem w nowy artykuł, statek kosmiczny wystrzelony z naszej galaktyki z pewną prędkością może dotrzeć tylko do galaktyki, która obecnie oddala się od nas z kosmiczną prędkością mniejszą niż połowa prędkości statku kosmicznego. Wprowadza to pojęcie kosmicznego horyzontu dla każdej prędkości startowej, podobnego do więziennych murów dla naszych ambicji podróżniczych.
Jakie byłyby realistyczne oczekiwania wobec przyszłych systemów napędowych, które radziłyby sobie lepiej niż rakiety chemiczne? Jak pokazałem w artykule z moją byłą postdoc, Manasvi Lingam, ambitny program kosmiczny mógłby wykorzystać lekkie żagle lub żagle elektryczne aby przekroczyć prędkość ucieczki z Drogi Mlecznej. Statek kosmiczny poruszający się sto razy szybciej niż prędkość pięć rakiet chemicznych które wysłaliśmy do tej pory w przestrzeń międzygwiezdną, mogłyby dotrzeć do przestrzeni międzygalaktycznej z prędkością 1000 kilometrów na sekundę, co stanowi jedną trzecią procenta prędkości światła. Przy tej prędkości mógłby dogonić galaktyki, które obecnie znajdują się w odległości 20 milionów lat świetlnych lub około 7 megaparseków od nas. Jednak ten statek kosmiczny nigdy nie dogoni galaktyk znajdujących się dalej, niezależnie od tego, jak długo będziemy czekać.
Centrum najbliższej gromady galaktyk, gromady Gromada Virgoznajduje się w odległości 65 milionów lat świetlnych. Dotarcie poza tę odległość wymaga statków kosmicznych poruszających się z prędkością większą niż jeden procent prędkości światła lub 3000 kilometrów na sekundę. Najbardziej ambitna inicjatywa ludzkości dotycząca podróży kosmicznych: Starshot – którego mam zaszczyt prowadzić, ma na celu osiągnięcie prędkości o rząd wielkości większej, przekraczającej jedną dziesiątą prędkości światła. Inicjatywa ta zakłada świecenie potężnym laserem o mocy 100 giga W przez kilka minut na żagiel świetlny o wielkości metra i masie grama. Sonda Starshot mogłaby dotrzeć do galaktyk znajdujących się o rząd wielkości dalej niż gromada Virgo, ale wciąż o dwa rzędy wielkości mniej niż odległość do ostatniej powierzchni rozpraszającej kosmicznego mikrofalowego tła.
Kosmiczny horyzont podróży międzygalaktycznych będzie w przyszłości obejmował mniej miejsc docelowych, ponieważ odległe galaktyki będą się od nas coraz bardziej oddalać. Jeśli chcemy do nich dotrzeć, musimy szybko wziąć się w garść. Jak pokazałem w artykule 2001gdy Wszechświat zestarzeje się dziesięciokrotnie – nawet statek kosmiczny poruszający się z prędkością światła nie będzie w stanie go dogonić. żadnej galaktyki poza naszą własną.
Osobiście nie martwi mnie ograniczenie nałożone na podróże międzygalaktyczne przez przyspieszoną ekspansję kosmiczną. Im bardziej się starzeję, tym bardziej cieszę się prywatnością, ciszą i wolnością. Im bardziej oddalamy się od odrzutowców pozagalaktycznych rozbłyski gamma i płonący ogień kwazarów, tym bardziej możemy skupić się na kultywowaniu dobrych relacji z naszymi bezpośrednimi kosmicznymi sąsiadami w galaktyce Drogi Mlecznej. Powinniśmy być dla nich mili, ponieważ tylko oni pozostaną z nami w naszej wspólnej kabinie przez kolejne miliardy lat. Ucieczka w ciemność przestrzeni międzygalaktycznej nie ma większego sensu, biorąc pod uwagę przyspieszoną ekspansję kosmiczną.
O AUTORZE
Avi Loeb jest szefem Projektu Galileo, dyrektorem-założycielem Harvard University’s – Black Hole Initiative, dyrektorem Instytutu Teorii i Obliczeń w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics oraz byłym przewodniczącym wydziału astronomii na Uniwersytecie Harvarda (2011-2020). Przewodniczy radzie doradczej projektu Breakthrough Starshot i jest byłym członkiem Rady Doradców Prezydenta ds. Nauki i Technologii oraz byłym przewodniczącym Rady Fizyki i Astronomii National Academies. Jest autorem bestsellerów “Extraterrestrial: Pierwszy znak inteligentnego życia poza Ziemią” oraz współautorem podręcznika “Życie w kosmosie“, obie opublikowane w 2021 roku. Jego nowa książka, zatytułowana “Interstellar“, ma zostać opublikowany w sierpniu 2023 roku.
