فراتر از کهکشان؛ چطور می‌توانیم به سفر میان ستاره‌ای دست بیابیم؟ قسمت اول

سفر میان ستاره‌ای

فیلم میان ستاره‌ای (Interstellar) را دیده‌اید؟ بعد از دیدن این فیلم سفر میان ستاره‌ای دست‌یافتنی و ممکن به نظر می‌رسد. اما آیا واقعا اینطور است؟ سال‌هاست پای انسان به مرزهای فرازمینی باز شده اما سفر به کهکشان‌های دیگر داستانی کاملا متفاوت است. اگر دوست دارید بدانید چه چیزهایی می‌توانند پای انسان را به کهکشان‌های دیگر باز کنند، با آرادمگ همراه باشید. در این مطلب هر چیزی که باید درباره سفرهای میان ستاره‌ای بدانید را خواهید خواند.

سفر به ستاره‌های دیگر کهکشان راه شیری، یافتن سامانه‌های ستاره‌ای دیگر و شاید هم کشف حیات فرازمینی. قرن‌هاست اینها از مهمترین رویاهای دانشمندان و آینده‌شناسان است. اما کمتر از یک قرن است که بشر توانسته این رویاها را به واقعیت نزدیک کند.

اگرچه هنوز راه زیادی تا فرود آمدن روی سامانه‌های دیگر پیش رویمان است اما هر روز به این هدف نزدیک‌تر می‌شویم. در سال‌های گذشته دو فضاپیمای رباتیک موفق به عبور از مرزهای منظومه شمسی و ورود به فضای میان ستاره‌ای شده‌اند. کاوشگرهای وویجر یک و دو که در فواصل سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ از مرزهای منظومه شمسی خارج شدند و به ترتیب در سال‌های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۸ وارد فضای میان ستاره‌ای شدند. در آینده‌ای نه چندان دور هم دو فضاپیمای دیگر با نام‌های پایونیر یک و دو هم به آنها می‌پیوندند. ابزارهایی که سفر میان ستاره‌ای را به امری دست‌یافتنی تبدیل می‌کنند.

با این وجود سال‌ها طول خواهد کشید تا این فضاپیماها به ستاره‌های نزدیک منظومه شمسی برسند. قاعده‌ای که درباره هر فضاپیمای دیگری که در سال‌های اخیر از زمین پرتاب شده هم صدق می‌کند. برای مثال می‌توانید ماموریت افق‌های نو را در نظر بگیرید که سال ۲۰۰۶ آغاز به کار کرد و پرواز تاریخی آن بر فراز پلوتون در سال ۲۰۱۵ رخ داد.

صفحه طلایی وویجر که دو فضاپیمای این ماموریت را در فضا نشان می‌دهد

عبور از کنار پلوتون، فضاپیمای افق‌های نو را به اولین فضاپیمایی تبدیل کرد که به سوی جرم کمربند کویپر حرکت می‌کند و به پنجمین فضاپیمایی تبدیل شد که از سرعت فرار کافی برای ترک منظومه شمسی برخوردار است. با در نظر گرفتن سرعت و مسیر فعلی این فضاپیما، انتظار می‌رود تا سال ۲۰۴۰ وارد فضای میان ستاره‌ای بشود.

هیچ کدام از این دستاوردهای تاریخی نمی‌توانند یک واقعیت مهم را تغییر بدهند: فضاپیمای افق‌های نو هم مثل سایر ابزارهای سفر میان ستاره‌ای برای چند هزار سال دیگر به سامانه ستاره‌ای دیگری نخواهد رسید. به عبارت دیگر، حتی اگر همین فردا هم با جدیدترین فناوری‌ پیشران یک فضاپیما پرتاب کنیم، چند قرن و حتی چند هزار طول می‌کشد تا به نزدیک‌ترین منظومه ستاره‌ای برسد.

نزدیک‌ترین مقصدها برای سفر میان ستاره‌ای

قبل از اینکه سراغ روش‌های سفر به فضای میان ستاره‌ای و چالش‌های پیش روی این رویا بپردازیم، نگاهی به مقصدهای احتمالی خواهیم انداخت. در این سفر دشوار، نزدیک‌ترین ستاره‌ها بهترین انتخاب هستند چون به منابع کمتری نیاز دارند.

نزدیک‌ترین ستاره به منظومه شمسی ما، پروکسیما کنتاوری است. یک ستاره اصلی از نوع M (کوتوله قرمز) که حدود ۴.۲۴ سال نوری با ما فاصله دارد. این ستاره بخشی از یک سامانه ستاره‌ای سه‌تایی است که یک سامانه آلفا کنتاوری هم در خودش جای داده است. این سامانه ستاره‌ای از یک ستاره نوع G (کوتوله زرد) شبیه خورشید و یک ستاره نوع K (کوتوله نارنجی) اجزای دیگرش هستند.

سامانه آلفا کنتاوری علاوه بر اینکه نزدیک‌ترین ستاره به منظومه ماست، نزدیک‌ترین ستاره شبیه به خورشید را هم در خودش جای داده است. نزدیک‌ترین ستاره بعد از آلفا کنتاوری، ستاره تاو نهنگ است که ۱۲ سال نوری از ما فاصله دارد. البته این ستاره هم نزدیک‌ترین ستاره منفرد شبیه به خورشید محسوب می‌شود. نزدیک‌ترین سیاره فراخورشیدی شناسایی شده هم در این سامانه قرار دارد و این یکی دیگر از ویژگی‌های مهم آن محسوب می‌شود.

تصویر شبیه‌سازی شده ستاره پروکسیما سنتاوری

این سیاره سنگی که پروکسیما بی نام دارد در سال ۲۰۱۶ و توسط رصدخانه جنوبی اروپا شناسایی شد. این سیاره حداقل ۱.۳ برابر زمین است، فاصله آن با ستاره‌اش در محدوده قابل سکونت ستاره قرار دارد و دوره مداری آن ۱۱.۲ روز است.

بعد از کشف این سیاره فراخورشیدی، تحقیقات زیادی درباره امکان وجود یا ایجاد حیات روی این سیاره انجام شده است. نتیجه همه این تحقیقات نشان می‌دهد پاسخ این پرسش به ترکیب اتمسفر سیاره و وجود میدان مغناطیسی بستگی دارد. ممکن است حیات به شکل ارگانیسم‌های پایه در طرف روز این سیاره وجود داشته باشد.

به همین خاطر طرح‌های زیادی برای ارسال فضاپیماهای رباتیک به پراکسیما بی و مطالعه این سیاره، اتسمفرش و شرایط سطح رویی آن پیشنهاد شده است. یکی از مهمترین این طرح‌ها Breakthrough Starshot نام دارد که قصد دارد به کمک انرژی مستقیم یک نانوکرافت را به این سیاره بفرستد و در عرض چند سال پروژه را به نتیجه برساند. یعنی اگر همه چیز درست پیش برود و طرح اجرایی بشود، عمر ما به دیدن نتایج قد خواهد داد.

«در عرض چند سال» عبارت کلیدی این طرح است. برای اینکه بتوانیم ماموریت‌هایی داشته باشیم که در مدت زمان کوتاه به نزدیک‌ترین ستاره‌ها برسند، احتمالا باید تلاش‌های سفر میان ستاره‌ای را به فضاپیماهای رباتیک محدود کنیم یا اینکه سراغ‌ روش‌های پیچیده و بعضا غیرممکن برویم.

فضا خیلی بزرگ است و استفاده از واحد سال نوری برای اندازه‌گیری فواصل اجرام، بهترین شاهد این مدعاست. سال نوری، فاصله‌ای است که ذرات نور می‎توانند در یک سال طی می‌کنند و برابر است با ۱۰۷۹ کیلومتر بر ساعت!

با در نظر گرفتن این نکته که ایده سرعت فراتر از نور هنوز در مرحله نظری قرار دارد، رسیدن به رویای سفرهای میان ستاره‌ای در گروی به‌کارگیری ایده‌های عملی و کوچک‌تر است. اما این ایده‌ها چه هستند؟ اصلا برای ساخت فضاپیمای سریعی که در زمان کوتاه به ستاره‌های نزدیک زمین برسند، ایده و روشی عملی وجود دارد؟ آیا برای کاهش زمان باید ماموریت‌های میان ستاره‌ای را به فضاپیماهای رباتیک محدود کرد؟ اینها سوالاتی هستند که در ادامه مطلب پاسخ‌شان را می‌خوانید.

روش‌های مرسوم سفرهای میان ستاره‌ای

منظور از روش‌های مرسوم، روش‌هایی است که با فناوری‌های فعلی (یا فناوری‌هایی که عملی بودنشان اثبات شده) قابل اجرا هستند. در بین این روش‌های مرسوم برای سفرهای میان ستاره‌ای، موشک‌های شیمیایی از همه معروف‌تر هستند. موشک‌هایی که برای پرتاب آنها سوخت مایع یا جامد مشتعل می‌شود و احتراق ناشی آن به داخل یک نازل هدایت می‌شود تا نیروی پرتاب مورد نیاز تولید بشود.

ماموریت میان ستاره‌ای افق‌های نو با همین روش پرتاب شد. این فضاپیما تا امروز سریع‌ترین جسمی است که از زمین به فضا پرتاب شده و سرعت پرتاب آن به ۵۸۵۰۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد. فضاپیمایی با این سرعت می‌تواند در عرض ۸ ساعت و ۳۵ دقیقه به ماه برسد (که حدود ۳۸۴۴۰۰ کیلومتر از زمین فاصله دارد)!

رکورد بیشترین سرعت در میان فضاپیماها هم در اختیار ماموریت هلیوس ۲ است. این فضاپیما که در سال ۱۹۷۶ برای مطالعه فرایندهای خورشیدی پرتاب شد، ۲۴۰۰۰۰ کیلومتر در ساعت سرعت داشت. دستیابی به این سرعت خارق‌العاده به لطف یک کمک گرانشی میسر شد. روشی که در آن فضاپیما از نیروی گرانشی اجرام بزرگ (مثل سیاره یا ستاره) برای حرکت دور جرم و افزایش سرعت استفاده می‌کند.

سفر میان ستاره‎ای با این سرعت هم خیلی طولانی خواهد بود. رسیدن به ستاره پروکسیما سنتاوری (نزدیک‌ترین ستاره به خورشید) با این سرعت نوزده هزار سال طول خواهد کشید. البته سرعت تنها مشکل پیش روی پرواز میان ستاره‌ای با این روش نیست. فضاپیمای وابسته به نیروی محرکه شیمیایی، خیلی زود همه سوختش را برای رسیدن به حداکثر سرعت می‌سوزاند. راهکار فعلی برای این مشکل پیشرانه‌های یونی‌ (مثل پیشرانه اثر هال) است که مصرف سوخت کمتری دارند و آرامتر به حداکثر سرعت می‌رسند.

یکی از اولین ماموریت‌های انجام شده با پیشرانه یونی، ماموریت اعماق فضا یا دیپ اسپیس یک ناسا بود. این ماموریت که در واقع برای آزمایش و نمایش فناوری پیشرانه یونی اجرا شده بود، در سال ‍۱۹۹۸ به سیارک ۹۹۶۹ Braill¬ و ستاره دنباله‌دار Borrelly رسید. دیپ اسپیس یک بر پایه پیشرانه یونی با گاز زنون طراحی شده بود و موفق شد در طول یک دوره ۲۰ ماهه به سرعت ۵۶۰۰۰ کیلومتر در ساعت برسد.

بنابراین پیشرانه‌های یونی نسبت به فناوری موشک به‌صرفه‌تر هستند چون رانش بر واحد جرم پیشرانه آنها خیلی بالاتر است. با این وجود با پیشرانه‌های یونی رسیدن فضاپیما به سرعت بالا خیلی بیشتر طول می‌کشد و حداکثر سرعت فضاپیما هم به منابع سوخت و میزان انرژی الکتریکی تولید شده توسط آن وابسته خواهد بود.

با این سرعت، سفر فضاپیما از زمین به ستاره پروکسیما سنتاوری حدود ۸۱۰۰۰ سال طول می‌کشد. لازم نیست دوباره بگوییم که این مدت حتی برای سفر میان ستاره‌ای هم خیلی زیاد است. برای اینکه درک بهتری از تفاوت این دو روش پرواز میان ستاره‌ای داشته باشید، یک مقایسه ساده کافیست. رسیدن فضاپیما با موتور معمولی به ستاره پروکسیما سنتاوری ۷۵۰ نسل طول می‌کشد اما استفاده از موتورهای یونی این مدت را به ۳۲۰۰ نسل افزایش خواهد داد!

نمونه اولیه پیشرانه اثر هال ناسا به عنوان یکی از راهکارهای سفر میان ستاره‌ای
نمونه اولیه پیشرانه اثر هال ناسا به عنوان یکی از راهکارهای سفر میان ستاره‌ای

حالا این ارقام نجومی و عجیب را با ماموریت‌های سرنشین‌دار مقایسه کنید. فضاپیمای آپولو ۱۰ که در سال ۱۹۶۹ بدون فرود به سمت ماه حرکت کرد، رکورد بیشترین سرعت حامل‌های سرنشین‎دار را در اختیار دارد. حداکثر سرعت این فضاپیما ۱۱.۰۸ کیلومتر بر ثانیه (۳۹۸۸۸ کیلومتر بر ساعت) بود. این فضاپیمای سرنشین‌دار توانست با این سرعت  سفر به ماه را در کمتر از دو روز و چهار ساعت به پایان برساند.

اما رسیدن به نزدیک‌ترین ستاره به منظومه شمسی با همین رکورد حدود ۱۱۴۸۰۰ سال طول خواهد کشید (حدود ۴۶۰۰ نسل). واضح است که این مدت با اهداف سفرهای میان ستاره‌ای در تضاد خواهد بود. اینطوری وقتی فضاپیما به مقصدش برسد و آماده ارسال اطلاعات باشد، هیچ کدام از کسانی که شاهد پرتاب فضاپیما بوده‌اند دیگر روی زمین نخواهد بود.

ضمن اینکه در طول این چند هزار سال، فناوری‌های مورد نیاز سفر میان ستاره‌ای آنقدر پیشرفت خواهد کرد که احتمالا فضاپیماهای بعدی زودتر به مقصد مورد نظر خواهند رسید. بنابراین باید سراغ گزینه‌های دیگر رفت. فناوری‌ها و گزینه‌هایی که شکاف عمیق میان سیاره ما و نزدیک‌ترین سیاره فراخورشیدی را در زمان کمتر و معقول‌تری پر کنند.

اینها روش‌هایی هستند که همین امروز می‌توانیم برای رفتن به محیط میان ستاره‌ای از آنها استفاده کنیم. اما غیرعملی بودن و هزینه زیاد مانعمان می‌شود. در قسمت دوم این مطلب روش‌های احتمالی برمبنای فناوری‌های موجود و روش‌های نظری را با هم بررسی خواهیم کرد.