Экзокосмонавтика и точки Лагранжа: лучше держаться подальше от суперземель

Романтическая научная фантастика XX века, а тем более космооперы, по-видимому, почти не учитывали фактор существенного отличия гравитации у разных планет, на которые приходится эпизодически высаживаться или колонизировать их. Как я уже писал в некоторых публикациях, в особенности, «Суперземля как иллюзия» и «Гикеаны, потомки нептунов», мы в настоящее время настолько одержимы идеей, что среди экзопланет найдётся множество жизнепригодных или даже обитаемых, что на месте мининептуна всегда готовы увидеть суперземлю. Впрочем, такое заблуждение характерно не только для нашего времени. Ещё в начале XX века Венера считалась «юной сестрой» Земли (так как предполагалось, что, чем ближе планета к Солнцу, тем позже она сформировалась), что там может царить тропическая эра, подобная мезозою, шуметь экзотические леса, а обширные океаны из-за сильной минерализации могут быть наполнены «зельтерской водой». Климат Венеры и её парниковый эффект – тема для отдельной публикации, и пока ограничусь ссылкой на это исследование 2019 года, в котором выдвигается гипотеза, что бесконтрольный парниковый эффект на Венере существует лишь чуть более 700 миллионов лет, а до этого там могли существовать вполне комфортные для жизни условия. А в этой статье попробуем обсудить феномен гравитационных колодцев и их опасность при сближении с суперземлями. Отдельно поблагодарю уважаемого @ilmarinen за его интереснейшие публикации о гравитационных маневрах в ныне закрытом корпоративном блоге «Маклауд», под впечатлением от которых я взялся писать эту статью.

Эта диаграмма семилетней давности наиболее наглядно демонстрирует, как распределены по массе и типу экзопланеты, открытые «Кеплером». Транзитный метод накладывает ограничения, но общая картина такова, что в Галактике преобладают нептуны и мининептуны, возможно, со значительной долей суперземель, а скалистые планеты достаточно редки (если не в абсолютном отношении, то, как минимум, в относительном). Соответственно, преобладают планеты значительно крупнее Земли, а расположение планет относительно друг друга в разных планетных системах также заставляет предположить, что знакомая нам по Солнечной системе конфигурация (мелкие скалистые планеты расположены ближе к звезде, холодные и ледяные газовые гиганты расположены за снеговой линией) встречается нечасто. Чаще бывает так, что горячие юпитеры находятся близко от звезды и поэтому могут осложнять формирование скалистых планет, оставляя во внешних частях системы несколько поясов астероидов. Вот более свежая диаграмма по относительному количеству экзопланет, открытых на 2022 год:

Но набор данных, собранных телескопами Kepler и TESS, позволяет выявить ряд общих черт, которыми обладает большинство звёздных систем.

• В центре системы находятся одна, две, реже – несколько звёзд.

• Часть планет находится близко к звезде, и именно в этой части может находиться «зона обитаемости» (где на поверхности планеты может существовать жидкая вода)

• За ближними планетами располагается снеговая линия, где летучие вещества постоянно находятся в твёрдой фазе и могут покрывать каменные глыбы. Поэтому для большинства систем характерно наличие одного или нескольких поясов астероидов

• За снеговой линией располагается несколько холодных газовых гигантов, в которых в основном скопились те остатки водорода и его соединений, которые не пошли на формирование светила

• За газовыми гигантами находится обширный внешний пояс ледяных тел, напоминающий пояс Койпера

• На дальних окраинах всясистема окружена сферической областью, напоминающей облако Оорта. Оттуда во внутреннюю часть системы прилетают кометы

Уже можно предположить, что для большинства звёздных систем характерна гравитационная неоднородность и непредсказуемость. В системе, где газовые гиганты расположены как близко к светилу, так и за снеговой линией, должно образоваться множество беспорядочно расположенных точек Лагранжа, и должны возникнуть извилистые гравитационные коридоры, по которым можно будет курсировать между этими точками. Колонизация точек Лагранжа — отдельная тема, к которой я надеюсь вернуться в одной из следующих статей. Тем не менее, логично предположить, что обживать в новых звёздных системах точки Лагранжа было бы безопаснее, чем сходу пытаться колонизировать перспективные экзопланеты.   

Гравитационные коридоры

Изучение гравитационных коридоров в Солнечной системе тесно связано с планированием гравитационных манёвров. Гравитационный манёвр, также именуемый «эффектом гравитационной пращи», позволяет экономить топливо космического аппарата, контролируемо сближая этот аппарат с крупной планетой и «пробрасывая» его в нужном направлении, пользуясь центробежной силой планеты. Идея о существовании данного явления и о том, как его можно было бы использовать, впервые была сформулирована Фридрихом Артуровичем Цандером и Юрием Васильевичем Кондратюком ещё в конце 20-х — 30-е годы XX века. Наиболее известный гравитационный манёвр был применён для разгона «Вояджеров», ныне покинувших пределы Солнечной системы. Вот известная схема, иллюстрирующая рисунок гравитационных маневров в нашей системе:

В 2009 году Штефан Йерг, Оливер Юнге из Мюнхенского технологического института и Шейн Росс из Виргинского политехнического института предположили, что космический корабль может продвигаться по гравитационным коридорам примерно по тому же принципу, как парусный корабль использовал океанические течения. В таком случае дальние космические путешествия можно значительно удешевить.

Ниже приведена компьютерная модель, описывающая гравитационные коридоры Солнечной системы, один из кадров которой я привёл.

В данной модели гравитационные пути выглядят как гибкие трубки, протянутые между планетами и спутниками. Эти коридоры соединяют точки Лагранжа, в которых сравнительно небольшое физическое тело (космический корабль, космическая станция или даже космический город) будут находиться неподвижно относительно двух крупных небесных тел, так как в этой точке их взаимное гравитационное воздействие обнуляет центростремительные и центробежные силы. По мнению Шейна Росса, относительно окружающего пространства эти коридоры являются явно низкоэнергетическими, поэтому физическое тело, которое с ускорением влетело в такой коридор, словно «падает» от одной точки Лагранжа к другой. В этом и заключается суть гравитационного манёвра.

Поскольку система спутников у планеты-гиганта подобна «солнечной системе» в миниатюре, не приходится сомневаться, что свои точки Лагранжа есть и среди таких спутников. Если эти точки удастся картировать как в Солнечной системе, так и у внесолнечных планет-гигантов, то перемещаться между ними можно будет с минимальными затратами энергии и топлива (немного топлива понадобится на маневры, связанные с коррекцией курса), при этом не попадая в зону притяжения самого гиганта.

С суперземли не улететь

Таким образом, первоочередными целями для колонизации в новых звёздных системах в будущем могут оказаться именно точки Лагранжа, а не скалистые планеты. Свойства точек Лагранжа в окрестностях красного или жёлтого карлика либо крупной планеты (газового гиганта) должны быть, в принципе, известны и предсказуемы в любой звёздной системе. Суперземля, в свою очередь, значительно более опасное место (даже исключая столь фантастические опасения, что она может быть населена воинственными разумными существами, пока не вышедшими в космос, либо обладать крайне враждебной биосферой). Но нас, естественно, интересует суперземля с плотной атмосферой, причём, за такую суперземлю можно принять и за мининептун, и за гикеан.

Нас в данном случае интересует конкретная физическая зависимость, которая, возможно, даже приближает нас к разрешению «парадокса Ферми». Оказывается, несмотря на многократно доказанную справедливость принципа заурядности, перспективы превращения любой цивилизации в космическую напрямую связаны со значениями второй и третьей космической скорости в данной звёздной системе. Вторая космическая скорость — это скорость, необходимая, чтобы выйти за пределы притяжения планеты. Третья космическая скорость — это скорость, необходимая для выхода за пределы притяжения звезды. На Земле вторая космическая скорость равна около 11,2 км/c, а третья космическая скорость — 16,65 км/c..

На Земле сложились именно такие условия, при которых сравнительно небольшая вторая космическая скорость, которая вполне достижима на химическом двигателе такого размера, какой мог спроектировать Сергей Павлович Королёв. Но с увеличением радиуса планеты растёт и вторая космическая скорость, а объём топлива, необходимый для вывода космического корабля на орбиту, увеличивается по экспоненте.

Орбитальные радиусы и скорости на примере TRAPPIST-1

На этой иллюстрации показано, что, в зависимости от температуры и спектрального класса звезды, зона обитаемости и снеговая линия в её системе соответствующей звезды сдвигается. Именно в системе красного карлика, такого, каким является TRAPPIST-1, зона обитаемости расположена почти вплотную к звезде.

Как показано на этой схеме, в зоне обитаемости звезды TRAPPIST-1 находятся две планеты — 1d и 1e (при этом 1d примерно в 300 раз легче Земли — возможно, это означает, что у неё нет железного ядра). Поэтому вторая космическая скорость на этих планетах должна быть невелика.  Тем не менее, TRAPPIST-1d в 45 раз ближе к своей звезде, чем Земля – к Солнцу. Поэтому третья космическая скорость при старте с орбиты TRAPPIST-1d (с поправкой на то, что красный карлик TRAPPIST-1 меньше Солнца) составляет 85 км/c.

Согласно формуле Циолковского, которую он вывел в 1903 году, увеличение скорости, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя (конечная скорость), приводит к экспоненциальному росту объёма топлива, необходимого, чтобы развить эту скорость. При использовании такой жидкой кислородно-метановой смеси, которая предусмотрена в проекте корабля Starship, для выхода с орбиты TRAPPIST-1d в межзвёздное пространство потребуется примерно в миллион раз больше топлива, чем для выхода с орбиты Земли.

Таким образом, если бы на землеподобной планете у красного или оранжевого карлика образовалась технологическая цивилизация, её физики и инженеры могли бы счесть космические или даже орбитальные полёты неосуществимым занятием. Но, если в случае TRAPPIST-1 непреодолимые проблемы возникают только с третьей космической скоростью, с суперземель, возможно, не удастся вырваться даже к ближайшим планетам в собственной звёздной системе. Эту проблему совсем недавно (в феврале 2024 года) попытался исследовать Элио Квирога, профессор из Университета Атлантико Медио (Лас-Пальмас, Испания).

Он построил график, на котором вторая космическая скорость соотносится с массой планеты. По современным оценкам, большинство суперземель должны быть в 10 и более раз массивнее Земли, но уже в случае, когда мы окажемся на планете в 4 раза больше Земли, улететь с неё на земном звездолёте не представляется возможным. Даже если на корабле будут достаточные запасы очень компактного антивещественного топлива, тему которого я надеюсь затронуть в одной из будущих статей, космический корабль, вероятно, не выдержит перегрузок.

Квирога в своей работе попытался рассчитать коэффициент убегания с экзопланеты (F_ex) и экзопланетную вторую космическую скорость (V_ex.)  Для Земли он принимает значение F_ex равным 1. При этом окно возможностей для развития космонавтики оказывается ещё уже, чем диапазон значений на вышеприведённом графике. При F_ex <0,4 планета едва ли сможет удерживать атмосферу, а при значениях F_ex > 2,2 улететь с планеты не представляется возможным — дело не только в том, что для этого потребовалось бы слишком много топлива, но и в том, что космическая ракета не выдержала бы собственного веса. Квирога полагает, что разумные жители суперземли чисто математически убедились бы в невозможности космических полётов, поэтому вряд ли пришли бы к идее SETI или другой форме межпланетного контакта.

При этом остаётся ещё и фактор мощной атмосферы суперземли. Она может простираться в десятки раз выше, чем земная атмосфера, а также быть более плотной, ветреной и насыщенной парами. В таком случае земной корабль рискует сгореть в плотных слоях подобной атмосферы, даже не проникнув сквозь нижнюю границу облаков.

Вот таблица значений, рассчитанная Квирогой для некоторых планет, открытых «Кеплером.

О габаритах инопланетных космических аппаратов

Эта проблема рассмотрена с другой стороны в статье Михаэля Хиппке, астрофизика из Зоннебергской обсерватории в Тюрингии. Он рассмотрел, насколько возможно было бы запустить космический корабль с Kepler-20b, суперземли, расположенной в 922 световых годах от Солнечной системы в созвездии Лира. Вероятно, эта планета является суперземлёй, а не мининептуном, она примерно в 10 раз тяжелее Земли, вторая космическая скорость на ней в 2,4 раза больше земной. По расчётом Хиппке, для вывода на орбиту этой планеты 6,6-тонного спутника потребовалось бы более 60 000 тонн топлива, это водоизмещение среднего авианосца. Для запуска корабля с 50 тоннами груза на борту, как в миссии «Аполлон», потребовалось бы уже 440 000 тонн топлива, а сама ракета была бы сопоставима по размеру с египетскими пирамидами.

Хиппке полагает, что на водной суперземле, которую мы бы назвали планетой-океаном, было бы сложно добыть в достаточном количестве не только топливо, но и металлы, которые в результате запуска с орбиты уже не вернуть (см. выше о факторе атмосферы). С другой стороны, преобладание океана над сушей могло бы привести к тому, что суперземляне додумались бы не до ракет, а до космического лифта, устанавливаемого на обширной и сравнительно лёгкой плавучей платформе.

Все перечисленные факторы могут быть неутешительными объяснениями «парадокса Ферми». Возможно, большинство технологических цивилизаций, если они существуют, просто не приходят к формуле, аналогичной уравнению Дрейка, равно как и к идее SETI.

Заключение

Попробую резюмировать следующий набор соображений, которые пригодились бы нашей цивилизации при колонизации других звёздных систем.

1. Колонизировать системы красных карликов можно только при условии достаточных запасов высокоэнергетического топлива, либо при использовании нуль-транспортировки, поскольку третья космическая скорость в зоне обитаемости таких звёзд слишком велика

2. В Солнечной системе требуется научиться возводить долговременные базы в точках Лагранжа, а затем искать такие точки в других звёздных системах в качестве первоочередных целей для обживания .

3. Улететь с дикой планеты-океана практически невозможно после того, как мы на неё приземлимся (найдём островок) или приводнимся

4. На суперземлю затруднительно сесть, поэтому для освоения суперземель необходимо осваивать технологию максимально лёгкого космического лифта, разматываемого с орбиты или со спутника

5. Космонавтика – редкая привилегия, выпавшая человеческой цивилизации

 

Источник