Звездолет черной дыры
В космонавтике звездолет с черной дырой — это теоретическая концепция космического корабля, способного совершать межзвездные путешествия , используя черную дыру в качестве источника энергии для движения космического корабля . Эта концепция впервые обсуждалась в научной фантастике, особенно в книге Имперская Земля» « Артура Кларка и в работе Чарльза Шеффилда , в которой энергия, извлеченная из черной дыры Керра-Ньюмана, описывается как приводящая в действие ракетные двигатели в рассказе. «Убивающий вектор» (1978). [1]
В более детальном анализе предложение о создании искусственной черной дыры и использовании параболического отражателя для отражения ее излучения Хокинга обсуждалось в 2009 году Луисом Крэйном и Шоном Уэстморлендом. [2] Их вывод заключался в том, что это было на грани возможности, но эффекты квантовой гравитации, которые в настоящее время неизвестны, либо облегчат задачу, либо сделают ее невозможной. [3] Подобные концепции были набросаны и Александром Болонкиным . [4]
Преимущества
[ редактировать ]Несмотря на то, что космический корабль с черной дырой выходит за рамки нынешних технологических возможностей, он предлагает некоторые преимущества по сравнению с другими возможными методами. Например, при ядерном синтезе или делении лишь небольшая часть массы преобразуется в энергию, поэтому потребуются огромные количества материала. Таким образом, ядерный звездолет сильно истощит Землю от делящихся и взрывоопасных материалов. Одной из возможностей является антиматерия , но производство антиматерии чрезвычайно энергонеэффективно, а антиматерию трудно сдержать. В статье Крэйна и Уэстморленда говорится:
С другой стороны, процесс образования ЧД в результате коллапса естественно эффективен, поэтому для него потребуется в миллионы раз меньше энергии, чем сопоставимое количество антивещества или, по крайней мере, в десятки тысяч раз, если учесть какой-нибудь оптимистичный будущий генератор антивещества. Что касается заключения, ЧД ограничивает себя. Нам нужно будет избегать столкновения с ним или потери его, но он не взорвется. Материя, столкнувшаяся с ЧД, упадет в нее и увеличит ее массу. Таким образом, создание ЧД чрезвычайно сложно, но с ним не так опасно и трудно обращаться, как с огромным количеством антиматерии. Хотя процесс создания ЧД чрезвычайно масштабен, он не требует какой-либо новой физики. Кроме того, если однажды созданная ЧД поглотит новую материю, она будет ее излучать, действуя таким образом как новый источник энергии; в то время как антиматерия может действовать только как механизм хранения энергии, которая была собрана в другом месте и преобразована с чрезвычайно низкой эффективностью. (Ни одна из других идей, предложенных для межзвездного полета, также не кажется жизнеспособной. Предложение о межзвездном прямоточном воздушно-реактивном двигателе, как оказывается, создает больше сопротивления, чем тяги, в то время как идея приведения корабля в движение с помощью лазерного луча сталкивается с проблемой, заключающейся в том, что луч распространяется слишком быстро. .)
Критерии
[ редактировать ]По мнению авторов, черная дыра для использования в космических путешествиях должна соответствовать пяти критериям: [5]
- имеет достаточно длительный срок службы, чтобы быть полезным,
- достаточно мощный, чтобы ускориться до разумной доли скорости света за разумный промежуток времени,
- достаточно мал, чтобы мы могли получить доступ к энергии для его создания,
- достаточно велик, чтобы мы могли сосредоточить энергию на его создании,
- имеет массу, сравнимую с звездолетом.
Черные дыры, кажется, имеют золотую середину с точки зрения размера, мощности и продолжительности жизни, которая почти идеальна. Черная дыра массой 606 000 метрических тонн (6,06 × 10 8 кг) будет иметь радиус Шварцшильда 0,9 аттометров (0,9 × 10 –18 м, или 9×10 –19 м), выходная мощность 160 петаватт (160×10 15 Вт, или 1,6 × 10 17 W) и продолжительность жизни 3,5 года. При такой выходной мощности черная дыра могла бы ускориться до 10% скорости света за 20 дней, при условии 100% преобразования энергии в кинетическую. Если предположить, что преобразование в кинетическую энергию составляет всего 10%, то потребуется в 10 раз больше. [2]
Чтобы черная дыра работала в качестве источника энергии и двигателя, также требуется способ преобразования излучения Хокинга в энергию и тягу. Один из потенциальных методов предполагает размещение отверстия в фокусе параболического отражателя, прикрепленного к кораблю, создавая прямую тягу, если такой отражатель может быть построен. Немного более простой, но менее эффективный метод будет заключаться в простом поглощении всего гамма-излучения, направляющегося в носовую часть корабля, чтобы подтолкнуть его вперед, а остальное позволит выстрелить в спину. [5] [6] Однако при этом будет генерироваться огромное количество тепла, поскольку излучение будет поглощаться блюдом.
Критика
[ редактировать ]Неясно, можно ли реализовать космический корабль, работающий на излучении Хокинга, в рамках законов известной физики. В стандартной термодинамической модели черной дыры средняя энергия испускаемых квантов увеличивается с уменьшением размера, а чрезвычайно маленькие черные дыры излучают большую часть своей энергии в частицах, отличных от фотонов. [7] [8] В Журнале Британского межпланетного общества Джеффри С. Ли из Icarus Interstellar утверждает, что типичный квант излучения черной дыры размером в один аттометр будет слишком энергичным, чтобы его можно было отразить. Ли далее утверждает, что поглощение (например, за счет образования пар из испускаемых гамма-лучей) также может быть невозможным: титановая «шапка Дайсона», оптимизированная для толщины 1 см и радиуса около 33 км (во избежание плавления), поглотит почти половину максимальная скорость космического корабля за время существования черной дыры будет меньше 0,0001 с (около 30 км/с). Согласно расчетам Ли, [8]
Говинд Менон из Университета Трои предлагает вместо этого изучить использование вращающейся черной дыры (Керра-Ньюмана): «С невращающимися черными дырами это очень сложная задача… обычно мы ищем энергию почти исключительно во вращающихся черных дырах. Черные дыры Шварцшильда не излучают с точки зрения астрофизических гамма-всплесков. Неясно, может ли одно лишь излучение Хокинга питать космические корабли». [5]
В художественной литературе
[ редактировать ]- Артур Кларк , Имперская Земля (1976)
- Чарльз Шеффилд , «Вектор убийства» (1978)
- Питер Уоттс , «Революция стоп-кадра» (2016)
- Джон Варли , Горячая линия Змееносца (1977) в романе они используют двигатель черной дыры, чтобы переместить спутник Юпитера Посейдон к Альфе Центавра .
- В Ханну Раджаниеми научно-фантастическом романе 2014 года «Каузальный ангел» Жана ле Фламбера на корабле «Леблан» есть черная дыра, испускающая излучение Хокинга , которое используется для движения.
- Во «Звездного пути» вселенной ромуланская боевая птица класса Д'деридекс использует искусственную квантовую сингулярность в качестве источника энергии для своего варп-двигателя.
- В Пола У.С. Андерсона научно-фантастическом фильме ужасов 1997 года «Горизонт событий » одноименный звездолет использует искусственный привод черной дыры для достижения скорости, превышающей скорость света .
- В MMO Eve Online звездолеты, спроектированные фракцией Триглавиана, используют обнаженные сингулярности, содержащиеся на внешнем корпусе, в качестве основного источника энергии своего корабля.
- В «Основании» (сериал) прыжковые корабли, похоже, используют черные дыры для питания своих прыжковых двигателей, что позволяет путешествовать со скоростью, превышающей скорость света (FTL), на межзвездные расстояния. Это отличается от сериала «Основание» , на котором основан сериал, где сверхсветовые путешествия облегчаются посредством путешествий в гиперпространстве .
- В сериале «Доктор Кто » ТАРДИС . питается от черной дыры, и благодаря этому она может увеличиваться не только внутри, но и благодаря тому, как она путешествует во времени
- Как высоко мы поднимаемся в темноте» В книге Секвойи Нагамацу « межзвездный корабль используется для перевозки пассажиров в крио-сне на расстоянии 582 световых лет от Земли со скоростью 10% скорости света. Звездолет использует двигатель, работающий на излучении Хокинга.
См. также
[ редактировать ]- Сила Авраама – Лоренца
- За пределами черных дыр
- Электрон черной дыры
- Излучение Хокинга
- Кугельблиц (астрофизика)
- Список исследователей квантовой гравитации
- Микрочерная дыра
Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Шеффилд, Чарльз, «Вектор убийства», журнал Galaxy , март 1978 г.
- ^ Jump up to: а б Луи Крейн и Шон Уэстморленд, « Возможны ли звездолеты через черные дыры » (препринт ArXiv, 12 августа 2009 г.). Проверено 7 апреля 2017 г.
- ^ Чоун, Маркус (25 ноября 2009 г.). «Темная сила: грандиозные проекты межзвездных путешествий» . Новый учёный (2736). (требуется подписка)
- ^ Александр Болонкин, Александр, Жизнь. Наука. Будущее, lulu.com, 2011, стр. 198–199.
- ^ Jump up to: а б с Тим Баррибо, «Двигатель черной дыры, который может приводить в действие космические корабли» , io9, 4 ноября 2009 г.
- ↑ Джефф Ли «Как привести в действие космический корабль с помощью искусственной черной дыры» , io9, 6 января 2014 г. (получено 7 апреля 2017 г.)
- ^ Пейдж, Дон Н. (1976). «Скорость выбросов частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры». Физический обзор D . 13 (2): 198–206. Бибкод : 1976PhRvD..13..198P . дои : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
- ^ Jump up to: а б Ли, Джеффри С. (март – апрель 2015 г.). «Ускорение звездолета Шварцшильд Кугельблиц» . Журнал Британского межпланетного общества . 68 : 105–116. Бибкод : 2015JBIS...68..105L .
