Межзвездный прорыв Стивена Хокинга
Apr. 2nd, 2017 07:35 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
fonzeppelinЕдва ли найдется интересующийся космонавтикой человек, который никогда не слышал о Стивене Хокинге, знаменитом астрофизике и теоретике, пропагандисте идей космической экспансии Человечества. Но вот подробности его последнего проекта - программы "Прорыв" - в нашем секторе интернета известны не так хорошо (а ведь именно Россия, усилиями Юрия Мильнера, играет ключевую роль в финансировании программы!).
Вкратце - Стивен Хокинг сформулировал грандиозный десятилетний (10+) план поиска признаков активности внеземных цивилизаций, установления контакта с таковыми в случае обнаружения, и - в перспективе - посылки миниатюрных зондов в межзвездное пространство, способных за пару десятилетий добраться до ближайших к Солнцу звездных систем.
Программа осуществляется под руководством:
* Фрэнка Дрэйка - председателя совета и автора программы поиска внеземного разума SETI.
* Энн Дринн - автора и дизайнера "сообщения "Вояджера"", золотой пластинки с записями для внеземных цивилизаций, установленной на зондах серии "Вояджер".
* Мартина Риса - королевского астронома Великобритании.
* Эндрю Симиона - одного из ведущих специалистов по поиску признаков существования внеземной жизни.
* Дэна Вертаймера - основателя и координатора добровольческой сети обработки информации SETI@home, занимающейся поиском в записях межзвездного излучения сигналов искусственного происхождения.
* Питера Уордена - главы призового комитета.
Российский миллиардер Юрий Милнер выделил 100 миллионов долларов на финансирование первой стадии программы и концептуальные проработки по двум остальным.
I: Прорывное Прослушивание ("Breakthrough Listen")
Антенна радиотелескопа Грин Бэнк.
Целью этой десятилетней программы является поиск сигналов от внеземных цивилизаций. Сама по себе идея не нова, но еще никогда она не предпринималась с таким размахом. Уже заключены контракты с радиообсерваториями Грин Бэнк (США) и Паркес (Австралия), на 20% и 25% их годового рабочего времени соответственно. Дополнительно, к программе присоединились радиотелескоп FAST (Китай) и оптический "Автоматический Плането-Искатель" (Automated Planet Finder) из Калифорнии, последний ориентируется на поиск возможных лазерных сигналов.
Все это оплаченное время - тысячи часов! - радиотелескопы обсерваторий будут посвящать поиску возможных инопланетных сигналов в диапазоне 1-10 гигагерц (т.е. в "пустом" диапазоне, не нарушаемом возможными помехами земного происхождения)
В качестве целей (по порядку приоритета) для радиообсерваторий были определены, отдельно для северного и отдельно для южного полушария:
* Все звезды (43 штуки) в пределах 5 парсеков от Солнца.
* Тысяча (1000) наиболее интересных звезд всех спектров в пределах 50 парсеков от Солнца.
* Миллион (1000000) наиболее интересных ближайших звезд.
* Центральные регионы по крайней мере 100 ближайших Галактик.
* Экзотические объекты: по двадцать (20) белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр.
Чувствительность используемой аппаратуры достаточна, чтобы засечь фоновое излучение планеты, подобной Земле, в пределах 5 парсеков, и обнаружить направленные источники излучения (подобные радарам) в пределах до 50 парсеков.
Автоматический плането-искатель. Он может увидеть вашу лазерную указку на орбите Альфы Центавра.
Обработка всех данных осуществляется на общественных началах, при помощи добровольческой сети SETI@Home. Вся база данных проекта изначально доступна в открытом сетевом архиве:
http://www.breakthroughinitiatives.org/OpenDataSearch
- откуда любой пользователь может извлечь данные для самостоятельной обработки. Ведется работа над открытым программным обеспечением, оптимизированным для поиска закономерностей в сигналах. Уже в настоящее время, программа за сутки поставляет больше данных, чем предыдущие проекты SETI - за год, более чем в 10 раз превосходя также по охвату исследуемых астрономических объектов.
II: Прорывное Сообщение ("Breakthrough Message")
Вторая часть проекта сводится к разработке сообщения, которое может быть послано с Земли для установления контакта с обнаруженной цивилизацией. Призовая сумма в миллион долларов для предложившего лучшее сообщение назначена для того, чтобы прилечь интерес к проекту. Сообщение должно "представлять наилучшим образом Землю и Человечество". Авторы проекта объявили, что сообщение будет послано не ранее, чем вопрос установления контакта с инопланетной цивилизацией будет рассмотрен подробным образом ведущей мировой научной и политической общественностью.
III: Прорывной Звездный Выстрел ("Breakthrough Starshot")
Третья - и самая амбициозная - часть проекта, предполагает отправку автоматических межзвездных аппаратов для изучения ближайших к Земле звезд.
Подробное обсуждение деталей на geektimes.
Это парус. Сам зонд - крохотная точка в центре.
Авторы проекта исходили из необходимости получить информацию от зондов в течении одного поколения. Поэтому ключевым требованием была способность аппаратов преодолеть 4-5 световых лет не более чем за 20-25 лет земного времени. Что, в свою очередь, требовало развить релятивистские скорости порядка 20% световой - на несколько порядков больше, чем достигнутые современными космическими аппаратами.
В качестве решения этой (и ряда других) проблем авторы проекта предложили идею нано-зонда. Ультраминиатюрный космический аппарат должен иметь массу всего в несколько грамм. Разумеется, такие размеры не позволяют смонтировать на нем какую-либо значимую силовую установку, но зато позволяют использовать концепцию "лазерного паруса" - т.е. разгонять зонд давлением фотонов луча мощного лазера. Выгодность этой концепции в том, что "двигатель" - то есть лазерная установка - остается на Земле, не разгоняется вместе с кораблем, и, соответственно, не имеет принципиальных ограничений по мощности и массе, а сам корабль не должен вообще нести запаса топлива и реактивной массы. Недостаток - в крайне слабой тяге подобного двигателя, что делает его экономически целесообразным только для миниатюрных аппаратов.
Эскизный проект аппарата, получившего название "Звездный чип" ("StarChip") был представлен в 2016 году. Это крайне миниатюрная система, массой всего около 10 грамм. Аппарат состоит из:
* Лазерного паруса площадью не более 16 квадратных метров (4x4), изготовленного из композита на основе графена. Парус должен принимать луч наземного лазера, и разгонять аппарат фотонным давлением. Материал паруса должен быть одновременно и крайне легким, и обладать чрезвычайно высокой отражающей способностью - чтобы сконцентрированное на нем излучение плотностью 62,5 киловатт на квадратный сантиметр, не разрушило парус.
* Миниатюрной "атомной батарейки" - радиоизотопного генератора на плутонии-238 или амерции-241.
* Четырех маневровых фотонных ускорителей - по сути дела, сверхминиатюрных диодных лазеров, мощностью не более 1 ватта каждый. Несмотря на минимальную мощность, они позволят выполнять элементарное маневрирование и поддерживать ориентацию аппарата. Они также могут быть использованы как система обратной связи: возможности оптического телескопа "Automated Planet Finder" позволяют ему наблюдать излучение 100 ваттного лазера (т.е. скоординированную работу сотни зондов) на удалении в 4,5 световых лет.
* Четырех управляющих микропроцессоров.
* Четырех сверхминиатюрных видеокамер, с разрешением 2 мегапикселя каждая. Предполагается, что такого разрешения хватит для изучения планетарной системы, сквозь которую будут проходить аппараты, и даже отдельных форм планетарного рельефа.
* Защитного покрытия из бериллиево-медного сплава, для защиты аппарата от субсветовых столкновений с атомами водорода. Разумеется, такое покрытие минимальной толщины не сумеет защитить зонд от риска соударения с пылевой частицей, но эту проблему предполагается решить запуском одновременно большого числа - тысячи (1000) аппаратов, из которых хотя бы часть сумеет выполнить задачу миссии.
Артистическое представление сегмента массива наземных лазеров.
В качестве разгонной установки предполагается использовать наземный массив из десяти миллионов серийных 10-киловаттных лазеров, развивающий суммарную мощность в 100 гигаватт. Хотя такая мощность и выглядит значительной, на практике она не превосходит возможностей энергетики развитых держав. По расчетам, 10 минут 100-гигаваттного излучения будет достаточно чтобы разогнать нано-зонд до 20% скорости света - что позволит ему преодолеть расстояние до системы Проксима Центавра за 20 лет. Торможение зонда у цели не планируется, миссия должна быть пролетной, т.е. зонды проследуют сквозь систему на скорости в 20% световой, выполнив по дороге наблюдения планетарной системы и передав данные обратно на Землю. На возвращение сигнала уйдет еще 4,5 лет - то есть в сумме, вся миссия займет около 25 лет.
Разумеется, набор технических вызовов впечатляет:
http://www.breakthroughinitiatives.org/Challenges/3
Но ни одна из проблем не является принципиально неразрешимой (хотя для ряда из них потребуется существенное улучшение доступных сейчас технологий).
Согласно предварительной оценке, общая стоимость программы не превзойдет 40-50 миллиардов долларов, основная часть которых будет затрачена на разработку необходимых технологий и создание наземного лазерного массива с инфраструктурой питания.
Заключение:
На данный момент программа "Прорыв" представляет собой самый комплексный и рациональный подход к межзвездным коммуникациям, когда-либо доселе сформулированный. Программа ставит рациональные цели полностью в рамках возможностей существующих и ближайше-перспективных технологий: радиоастрономию для поиска следов внеземных цивилизаций, общественную обработку информации усилиями добровольцев (предоставляющих ресурсы своих ПК для таковой), и даже итоговая цель программы - отправка зондов к ближайшим звездам - является хотя и ресурсоемким и масштабным, но вполне посильным для развитых наций предприятием, причем способным обеспечить возвращение научной информации в течении всего пары десятилетий. Для сравнения, миссия "Вояджер-1" продолжается уже более 40 лет; так что двадцать пять лет для проекта "Старчип" не являются чем-то немыслимым.
Вкратце - Стивен Хокинг сформулировал грандиозный десятилетний (10+) план поиска признаков активности внеземных цивилизаций, установления контакта с таковыми в случае обнаружения, и - в перспективе - посылки миниатюрных зондов в межзвездное пространство, способных за пару десятилетий добраться до ближайших к Солнцу звездных систем.
Программа осуществляется под руководством:
* Фрэнка Дрэйка - председателя совета и автора программы поиска внеземного разума SETI.
* Энн Дринн - автора и дизайнера "сообщения "Вояджера"", золотой пластинки с записями для внеземных цивилизаций, установленной на зондах серии "Вояджер".
* Мартина Риса - королевского астронома Великобритании.
* Эндрю Симиона - одного из ведущих специалистов по поиску признаков существования внеземной жизни.
* Дэна Вертаймера - основателя и координатора добровольческой сети обработки информации SETI@home, занимающейся поиском в записях межзвездного излучения сигналов искусственного происхождения.
* Питера Уордена - главы призового комитета.
Российский миллиардер Юрий Милнер выделил 100 миллионов долларов на финансирование первой стадии программы и концептуальные проработки по двум остальным.
I: Прорывное Прослушивание ("Breakthrough Listen")
Антенна радиотелескопа Грин Бэнк.
Целью этой десятилетней программы является поиск сигналов от внеземных цивилизаций. Сама по себе идея не нова, но еще никогда она не предпринималась с таким размахом. Уже заключены контракты с радиообсерваториями Грин Бэнк (США) и Паркес (Австралия), на 20% и 25% их годового рабочего времени соответственно. Дополнительно, к программе присоединились радиотелескоп FAST (Китай) и оптический "Автоматический Плането-Искатель" (Automated Planet Finder) из Калифорнии, последний ориентируется на поиск возможных лазерных сигналов.
Все это оплаченное время - тысячи часов! - радиотелескопы обсерваторий будут посвящать поиску возможных инопланетных сигналов в диапазоне 1-10 гигагерц (т.е. в "пустом" диапазоне, не нарушаемом возможными помехами земного происхождения)
В качестве целей (по порядку приоритета) для радиообсерваторий были определены, отдельно для северного и отдельно для южного полушария:
* Все звезды (43 штуки) в пределах 5 парсеков от Солнца.
* Тысяча (1000) наиболее интересных звезд всех спектров в пределах 50 парсеков от Солнца.
* Миллион (1000000) наиболее интересных ближайших звезд.
* Центральные регионы по крайней мере 100 ближайших Галактик.
* Экзотические объекты: по двадцать (20) белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр.
Чувствительность используемой аппаратуры достаточна, чтобы засечь фоновое излучение планеты, подобной Земле, в пределах 5 парсеков, и обнаружить направленные источники излучения (подобные радарам) в пределах до 50 парсеков.
Автоматический плането-искатель. Он может увидеть вашу лазерную указку на орбите Альфы Центавра.
Обработка всех данных осуществляется на общественных началах, при помощи добровольческой сети SETI@Home. Вся база данных проекта изначально доступна в открытом сетевом архиве:
http://www.breakthroughinitiatives.org/OpenDataSearch
- откуда любой пользователь может извлечь данные для самостоятельной обработки. Ведется работа над открытым программным обеспечением, оптимизированным для поиска закономерностей в сигналах. Уже в настоящее время, программа за сутки поставляет больше данных, чем предыдущие проекты SETI - за год, более чем в 10 раз превосходя также по охвату исследуемых астрономических объектов.
II: Прорывное Сообщение ("Breakthrough Message")
Вторая часть проекта сводится к разработке сообщения, которое может быть послано с Земли для установления контакта с обнаруженной цивилизацией. Призовая сумма в миллион долларов для предложившего лучшее сообщение назначена для того, чтобы прилечь интерес к проекту. Сообщение должно "представлять наилучшим образом Землю и Человечество". Авторы проекта объявили, что сообщение будет послано не ранее, чем вопрос установления контакта с инопланетной цивилизацией будет рассмотрен подробным образом ведущей мировой научной и политической общественностью.
III: Прорывной Звездный Выстрел ("Breakthrough Starshot")
Третья - и самая амбициозная - часть проекта, предполагает отправку автоматических межзвездных аппаратов для изучения ближайших к Земле звезд.
Подробное обсуждение деталей на geektimes.
Это парус. Сам зонд - крохотная точка в центре.
Авторы проекта исходили из необходимости получить информацию от зондов в течении одного поколения. Поэтому ключевым требованием была способность аппаратов преодолеть 4-5 световых лет не более чем за 20-25 лет земного времени. Что, в свою очередь, требовало развить релятивистские скорости порядка 20% световой - на несколько порядков больше, чем достигнутые современными космическими аппаратами.
В качестве решения этой (и ряда других) проблем авторы проекта предложили идею нано-зонда. Ультраминиатюрный космический аппарат должен иметь массу всего в несколько грамм. Разумеется, такие размеры не позволяют смонтировать на нем какую-либо значимую силовую установку, но зато позволяют использовать концепцию "лазерного паруса" - т.е. разгонять зонд давлением фотонов луча мощного лазера. Выгодность этой концепции в том, что "двигатель" - то есть лазерная установка - остается на Земле, не разгоняется вместе с кораблем, и, соответственно, не имеет принципиальных ограничений по мощности и массе, а сам корабль не должен вообще нести запаса топлива и реактивной массы. Недостаток - в крайне слабой тяге подобного двигателя, что делает его экономически целесообразным только для миниатюрных аппаратов.
Эскизный проект аппарата, получившего название "Звездный чип" ("StarChip") был представлен в 2016 году. Это крайне миниатюрная система, массой всего около 10 грамм. Аппарат состоит из:
* Лазерного паруса площадью не более 16 квадратных метров (4x4), изготовленного из композита на основе графена. Парус должен принимать луч наземного лазера, и разгонять аппарат фотонным давлением. Материал паруса должен быть одновременно и крайне легким, и обладать чрезвычайно высокой отражающей способностью - чтобы сконцентрированное на нем излучение плотностью 62,5 киловатт на квадратный сантиметр, не разрушило парус.
* Миниатюрной "атомной батарейки" - радиоизотопного генератора на плутонии-238 или амерции-241.
* Четырех маневровых фотонных ускорителей - по сути дела, сверхминиатюрных диодных лазеров, мощностью не более 1 ватта каждый. Несмотря на минимальную мощность, они позволят выполнять элементарное маневрирование и поддерживать ориентацию аппарата. Они также могут быть использованы как система обратной связи: возможности оптического телескопа "Automated Planet Finder" позволяют ему наблюдать излучение 100 ваттного лазера (т.е. скоординированную работу сотни зондов) на удалении в 4,5 световых лет.
* Четырех управляющих микропроцессоров.
* Четырех сверхминиатюрных видеокамер, с разрешением 2 мегапикселя каждая. Предполагается, что такого разрешения хватит для изучения планетарной системы, сквозь которую будут проходить аппараты, и даже отдельных форм планетарного рельефа.
* Защитного покрытия из бериллиево-медного сплава, для защиты аппарата от субсветовых столкновений с атомами водорода. Разумеется, такое покрытие минимальной толщины не сумеет защитить зонд от риска соударения с пылевой частицей, но эту проблему предполагается решить запуском одновременно большого числа - тысячи (1000) аппаратов, из которых хотя бы часть сумеет выполнить задачу миссии.
Артистическое представление сегмента массива наземных лазеров.
В качестве разгонной установки предполагается использовать наземный массив из десяти миллионов серийных 10-киловаттных лазеров, развивающий суммарную мощность в 100 гигаватт. Хотя такая мощность и выглядит значительной, на практике она не превосходит возможностей энергетики развитых держав. По расчетам, 10 минут 100-гигаваттного излучения будет достаточно чтобы разогнать нано-зонд до 20% скорости света - что позволит ему преодолеть расстояние до системы Проксима Центавра за 20 лет. Торможение зонда у цели не планируется, миссия должна быть пролетной, т.е. зонды проследуют сквозь систему на скорости в 20% световой, выполнив по дороге наблюдения планетарной системы и передав данные обратно на Землю. На возвращение сигнала уйдет еще 4,5 лет - то есть в сумме, вся миссия займет около 25 лет.
Разумеется, набор технических вызовов впечатляет:
http://www.breakthroughinitiatives.org/Challenges/3
Но ни одна из проблем не является принципиально неразрешимой (хотя для ряда из них потребуется существенное улучшение доступных сейчас технологий).
Согласно предварительной оценке, общая стоимость программы не превзойдет 40-50 миллиардов долларов, основная часть которых будет затрачена на разработку необходимых технологий и создание наземного лазерного массива с инфраструктурой питания.
Заключение:
На данный момент программа "Прорыв" представляет собой самый комплексный и рациональный подход к межзвездным коммуникациям, когда-либо доселе сформулированный. Программа ставит рациональные цели полностью в рамках возможностей существующих и ближайше-перспективных технологий: радиоастрономию для поиска следов внеземных цивилизаций, общественную обработку информации усилиями добровольцев (предоставляющих ресурсы своих ПК для таковой), и даже итоговая цель программы - отправка зондов к ближайшим звездам - является хотя и ресурсоемким и масштабным, но вполне посильным для развитых наций предприятием, причем способным обеспечить возвращение научной информации в течении всего пары десятилетий. Для сравнения, миссия "Вояджер-1" продолжается уже более 40 лет; так что двадцать пять лет для проекта "Старчип" не являются чем-то немыслимым.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2017-04-14 08:07 pm (UTC)Как раз термоядерный синтез не требует принципиальных прорывов - прорывы нужны только что бы сделать его экономически осмысленным.
Здесь же нужны очень впечатляющие рывки по удельным характеристикам. Например 62 кВт/см^2 - примерно в 60 раз больше, чем умеют сегодняшние материалы. Большие вопросы по выживаемости, по энергетике.
Как только удельные характеристики поползут вниз под гнетом реальности - грандиозная лазерная решетка на 100 ГВт превратится в нереализуемую мегаконструкцию.
Тем не менее, это наверное наиболее близкий к реальности проект межзвездного зонда. Другой вопрос, что вложив те же 50 (или 500, как повезет) миллиардов долларов, можно запустить "diluted telescope", который скорее всего даст сопоставимые результаты, только не для одной планеты - а для многих. В этом ошибка Миллера.
no subject
Date: 2017-04-14 08:11 pm (UTC)//Как раз термоядерный синтез не требует принципиальных прорывов - прорывы нужны только что бы сделать его экономически осмысленным.//
Во что как бы все и упирается.
//Здесь же нужны очень впечатляющие рывки по удельным характеристикам. Например 62 кВт/см^2 - примерно в 60 раз больше, чем умеют сегодняшние материалы. Большие вопросы по выживаемости, по энергетике. //
Вопрос в отражающей способности в первую очередь.
//Как только удельные характеристики поползут вниз под гнетом реальности - грандиозная лазерная решетка на 100 ГВт превратится в нереализуемую мегаконструкцию.
//
А ей-то чего? :) Лазеры как раз дешевеют и становятся все надежнее. :)
no subject
Date: 2017-04-14 08:41 pm (UTC)Ну я не в смысле, что его осуждаю, а в том плане, что для целей изучения других планет лучше все же не прямые методы и тут есть когнитивное искажение из фантастики 50х-80х годов. У меня даже пост (http://tnenergy.livejournal.com/90323.html) есть про то, как революции в астрономии происходят совсем не так, как это ожидали
>Во что как бы все и упирается.
Для межзвездного путешествия такой вопрос даже не ставится ;)
>А ей-то чего? :) Лазеры как раз дешевеют и становятся все надежнее. :
Ну, скажем, тераватт лазеров мне не кажется реалистичным - по инженерным (еще на кпд надо умножить, быстро загуглив я не нашел волоконных лазеров с кпд>50%, но может плохо искал), климатическим, политическим и финансовым причинам. А тераватт - это все лишь в 10 раз ухудшились характеристики, которые заявлены сейчас. С учетом технической пропасти, которую надо преодолевать - это не бог весь какая деградация ТЗ будет.
no subject
Date: 2017-04-14 08:45 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-14 09:03 pm (UTC)Разумеется...
>Детальное изучение гелиопаузы стало возможно только благодаря "Вояджерам" и "Пионерам".
Я согласен с вашей мыслью, но интересно, что именно с этим моментом вы ошибаетесь https://ru.wikipedia.org/wiki/IBEX_(спутник)
Оказалось, что не менее успешно гелиопаузу можно изучать с орбиты Земли...
>я думаю, вы согласитесь, что в изучении БИОСФЕРЫ не помогут никакие телескопы!
Зонд с почтовую марку, пролетающий на 20% скорости света планету-цель, тоже не особо поможет с изучением биосферы. Вот например есть такой проект - то LISA, то eLISA -космический гравволновой интерферометр. Если использовать подобную технологию для выстраивания "разбавленного" телескопа в космосе, с апертуркой в 1000 м^2 - то можно строить изображения проксимы центавра B в тысячи пикселей по диаметру диска (как-то я считал полгода назад). Сравнимо со старшотом. И менее рискованно технологически, быстрее, и можно использовать для других интересных целей (как насчет изображения нейтронной звезды? Они имеют большую поверхностную яркость, нужна только база для достаточного углового разрешения).
no subject
Date: 2017-04-14 09:10 pm (UTC)Я согласен, что пролетный зонд размером с почтовую марку не слишком эффективен в плане изучения системы. Однако, освоив технологию подобных зондов и решив практические проблемы, мы в дальнейшем сможем "прорваться" на более эффективный уровень. При всем желании, но изобретение радио не отменило необходимости в аэропланах.
no subject
Date: 2017-04-14 09:15 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-14 09:18 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-14 09:24 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-14 09:30 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-14 09:37 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-14 09:28 pm (UTC)Например: мы можем, потенциально, использовать часть нанозондов как средство торможения других. Путем переотражения луча крупного лазера из Солнечной Системы, к примеру. Конечно, это будет той еще задачкой, и лазерные мощности, полагаю, потребуются на десяток порядков повыше названных, но потенциально мы можем таким образом затормозить группу нанозондов для исследования системы уже не на релятивистских скоростях.
no subject
Date: 2017-04-14 09:34 pm (UTC)no subject
Date: 2017-04-15 06:20 am (UTC)