О проекте Breakthrough Starshot

Экзопланеты (планеты, которые обращаются вокруг звезды, не являющейся Солнцем) обнаружены примерно у 10% звёзд, включённых в программы поисков. Их доля растёт по мере накопления данных и совершенствования техники наблюдения. К настоящему времени открыто множество планет с массами порядка массы Нептуна и ниже. Экзопланеты планеты стали открывать благодаря усовершенствованным научным методам, зачастую на пределе их возможностей. К таким методам относятся: радионаблюдение пульсаров, метод радиальных скоростей, транзитный метод, метод синхронизации, визуальное наблюдение, гравитационное линзирование, астрометрический метод. На 16 ноября 2016 года достоверно подтверждено существование 3541 экзопланет в 2656 планетных системах, из которых в 597 имеется более одной планеты. Следует отметить, что количество надёжных кандидатов в экзопланеты значительно больше. Из 2326 кандидатов, обнаруженных телескопом Кеплер, 207 имеют примерно земной размер, 680 имеет размеры суперземли, 1181 — Нептуна, 203 — размер, сравнимый с юпитерианским, и 55 — больший, чем у Юпитера.

У экзопланет движущихся на орбитах с большим эксцентриситетом, внутреннее содержание которых включает в себя несколько слоев вещества, такие как пласты коры, мантии и вещество ядра, приливные силы могут высвобождать тепловую энергию, которая может способствовать созданию и поддержанию благоприятных для жизни условий на космическом теле, а их орбита, со временем, может эволюционировать в околокруговую. Наиболее близкой по условиям к Земле экзопланетой, известной на 2009 год, является Глизе 581 c, температура на которой, по предварительным оценкам, находится в диапазоне 0–40°C.

Также теоретически на этой планете возможно существуют запасы жидкой воды (что подразумевает возможность существования жизни). Возникает вопрос: можно ли как-то выяснить, что происходит на поверхности таких планет и как можно найти существование внеземной жизни. В прошлом году русский миллиардер Юрий Мильнер (выпускник физического факультета МГУ по специальности «теоретическая физика») заявил о своём намерении финансировать проект Breakthrough Initiatives для поиска внеземной жизни во Вселенной.

Взгляд художника на закат трёх светил на предполагаемом спутнике планеты HD 188753 A b (Image Credit: NASA/JPL-Caltech).

В рамках Breakthrough Initiatives был объявлен проект Breakthrough Listen по аренде времени наблюдения на нескольких радиотелескопах и обработке получаемых данных. 12 апреля 2016 года на пресс-конференции в Нью-Йорке Мильнер совместно со Стивеном Хокингом объявили ряд дополнительных проектов. Самым амбициозным из них стал проект Breakthrough Starshot, направленный на разработку межзвездных космических кораблей, оснащенных световым парусом. К проекту присоединился и генеральный директор Facebook Марк Цукерберг.

Мильнер планирует отправить несколько тысяч межзвездных космических кораблей в разные участки Вселенной, но в первую очередь собирается достичь звездную систему Альфа Центавра, удаленную на 4,37 световых лет от Земли. Предполагается, что космический аппарат разовьет скорость примерно 15–20% от скорости света и его путь продлится около 20 лет. Предполагается, что на космических кораблях будут установлены камеры для передачи снимков планет. В этом проекте роботизированные космические аппараты имеют массу порядка грамма и состоят из двух основных частей: StarChip (чипа) и светового паруса. Такой космический аппарат должен быть ускорен до 60 000 км/сек в течение 2 минут интенсивным лазерным лучом, действующим на парус.

Для успешности миссии необходимо решить ряд сложных технических проблем. По данным оценок, проведённых комитетом приглашенных ученых, в который вошли Сол Перлмуттер (лауреат Нобелевской премии по физике 2011 года), Стивен Чу (лауреат Нобелевской премии по физике 1997 года), академик Р.З. Сагдеев и др., одним из наиболее важных вопросов стал вопрос о проблеме устойчивости ориентации космического аппарата.

Т.е. каковы должны быть форма самого паруса и тип луча лазера, чтобы космический аппарат в процессе ускорения не вышел из зоны действия луча.

Исследовательская группа, состоящая из Е.П. Поповой (снс, НИИЯФ МГУ), М. Ефендиева (профессор, Мюнхенский центр им. Гельмгольца, Германия) и И. Габитова (профессор, Директор Центра фотоники и квантовых материалов, Сколтех) исследовали устойчивость ориентации космического аппарата, оснащенного парусом, при малых возмущениях ориентации паруса в течении времени действия интенсивного лазерного луча с плоским и гауссовым профилем. Следуя материалам проекта Breakthrough Starshot, они рассматривали космический аппаратс массой 1 г и радиусом паруса 200 см. Сила света, действующая на поверхность паруса, составляет 5 107 г см/сек2. Отражение света от поверхности паруса зеркальное. В такой постановке задачи космический аппарат чувствителен к крутящим моментам и поперечным силам, которые влияют на ориентацию. Движение космического аппарата под действием лазерного луча ученые описали с помощью уравнений Эйлера и второго закона Ньютона.

Полученную систему уравнений исследовали на устойчивость аналитически в линейном приближении и численно и построили траектории движения космического аппарата. Было показано, что космический аппарат с плоским парусом быстро выходит из зоны действия луча, не успев получить необходимое ускорение. Ориентация паруса конической и сферической формы (часть сферы, к радиусом кривизны много большим чем радиус паруса) является стабильной, если расстояние от центра паруса до центра масс больше чем радиус кривизны паруса.

снс, НИИЯФ МГУ, Е. П. Попова