Будущие космические корабли могут использовать черные дыры в качестве мощных стартовых площадок для изучения звезд. Новое исследование предусматривает запуск лазерных лучей с корабля по краю черной дыры, которые будут изгибаться вокруг последней из-за ее мощной гравитации и возвращаться с добавленной энергией. После этого корабль будет «ловить» такие лучи, тем самым бесплатно получая энергию, которую можно тратить на его разгон вплоть до скорости света. Астрономы могли бы искать признаки того, что инопланетные цивилизации используют такой «гало-драйв», как его называют исследователи, наблюдая за тем, как пары черных дыр сливаются быстрее, чем ожидалось по расчетам.

Автор исследования Дэвид Киппинг, астрофизик из Колумбийского университета в Нью-Йорке, выдвинул идею о гало-драйве используя то, что он называет «мышлением игрока».

«Иногда в компьютерной игре вы обнаруживаете эксплойт, хак, который позволяет вам сделать что-то сверхнормативное, что в обычных условиях невозможно по правилам игры», — сказал Киппинг. «В данном случае игра — это физический мир, и я попытался подумать о концепциях, которые позволили бы цивилизации совершить релятивистский полет туда-сюда по галактике без огромных затрат энергии, которые понадобятся для этого сейчас».

Основная проблема использования ракет для полета в космосе заключается в том, что топливо, которое они несут с собой, имеет массу. В дальних поездках нужно много топлива, что делает ракеты тяжелыми, что, в свою очередь, требует еще большего количества топлива, что делает ракеты еще тяжелее и так далее. Эта проблема экспоненциально ухудшается, чем больше становится ракета.
 
Однако вместо того, чтобы нести топливо для ускорения, космический корабль, оборудованный зеркальными парусами, мог бы полагаться на лазеры, чтобы двигаться вперед. Инициатива «Breakthrough Starshot» стоимостью в 100 миллионов долларов, объявленная в 2016 году, планирует использовать мощные лазеры для доставки большого количества маленьких космических кораблей к звезде Альфа Центавра, находящейся в ближайшей к нам звездной системе в 4 световых годах от нас, с достижением 20% скорости света.

Каждый космический корабль, который запустят в рамках проекта «Breakthrough Starshot», по размерам сопоставим с микрочипом. Чтобы разогнать большие космические корабли до релятивистских скоростей — до значительной доли скорости света — Киппинг ищет помощи у гравитации.

STEREO PHASING ANIMATION
Пример гравитационного маневра с помощью Луны (серый кружок). Желтая стрелка показывает направление на Солнце.

Космические корабли в настоящее время регулярно используют «космические рогатки» — маневры, при которых они, пролетая рядом с массивными космическими объектами, такими как планеты, по определенной траектории, получают дополнительное ускорение благодаря огромной силе тяжести последних. В 1963 году знаменитый физик Фриман Дайсон (тот, кто придумал сферу Дайсона — мегаструктуру, в которой заключена звезда, что позволяет получить от нее максимум энергии для нужд развитой цивилизации), предположил, что космические корабли любого размера могут полагаться на маневры с «рогаткой» вокруг компактных пар белых карликов или нейтронных звезд для полета на релятивистских скоростях.

Тем не менее, «рогатка Дайсона» рискует повредить космический корабль из-за экстремальных гравитационных сил и опасного излучения от этих пар мертвых звезд. Вместо этого Киппинг предполагает, что гравитация может помочь космическим кораблям, увеличивая энергию лазерных лучей, пускаемых по краям черных дыр.

Черные дыры обладают гравитационными полями, настолько мощными, что ничто не может ускользнуть от них, даже свет. Их гравитационные поля могут также искажать пути фотонов света, которые пролетают рядом с ней. В 1993 году физик Марк Стакей предположил, что черная дыра, в принципе, может действовать как «гравитационное зеркало», поскольку гравитация черной дыры может закрутить фотон вокруг себя так, чтобы он полетел назад к своему источнику. Киппинг подсчитал, что если черная дыра движется к источнику фотонов, то «бумеранговый фотон» получит часть энергии черной дыры.

Рассчитывая физику того, что он назвал «гало-драйвом» — название происходит от кольца света, гало, который создал бы луч лазера вокруг черной дыры — Киппинг обнаружил, что космические корабли даже с массой Юпитера могут достигать релятивистских скоростей. «Цивилизация может использовать черные дыры в качестве галактических путевых точек», — написал он в исследовании, принятом журналом Британского межпланетного общества.

Чем быстрее движется черная дыра, тем больше энергии можно извлечь из нее. Таким образом, Киппинг в основном сфокусировался на использовании пар черных дыр, закручивающихся навстречу друг другу вплоть до слияния.

Астрономы могут искать признаки того, что инопланетные цивилизации используют пары черных дыр для путешествий с таким двигателем. Например, гало-двигатели будут эффективно «воровать» энергию у двойных систем черных дыр, делая скорость их слияния выше той, которую можно было бы ожидать увидеть естественным образом, сказал Киппинг.

Его выводы были основаны на импульсах от пар черных дыр, вращающихся вокруг друг друга на релятивистских скоростях. Хотя в Млечном Пути насчитывается около 10 миллионов пар черных дыр, Киппинг отметил, что лишь немногие из них, вероятно, вращаются на релятивистских скоростях в течение длительного времени, так как при таких скоростях слияние обычно происходит довольно быстро. 



Тем не менее, он отметил, что изолированные вращающиеся черные дыры могут также ускорить корабль с гало-приводом до релятивистских скоростей, «и мы уже знаем о многочисленных примерах вращающихся с релятивистской скоростью сверхмассивных черных дырах». 

Главный недостаток гало-драйва заключается в том, что «нужно ехать до ближайшей черной дыры», сказал Киппинг. «Это похоже на единовременную плату за проезд по платному участку шоссе. Вы должны потратить немного энергии, чтобы добраться до ближайшей точки доступа, но после этого вы можете ездить бесплатно столько, сколько захотите».

Гало-привод работает только в непосредственной близости от черной дыры, на расстоянии примерно в пять-пятьдесят раз превышающем ее диаметр. «Вот почему вы должны сначала отправиться к ближайшей черной дыре, и [почему вы] не можете просто сделать это за световые годы от нее», — сказал Киппинг. «Для начала нам все еще нужны средства, чтобы добраться до ближайшей черной дыры».

«Если мы хотим достичь релятивистского полета, требуются огромные энергетические затраты, независимо от того, какую двигательную установку вы используете», — добавил он. «Один из способов обойти это — использовать астрономические объекты в качестве источников энергии, поскольку они обладают буквально астрономическими запасами энергии внутри себя. В этом случае пара черных дыр — это, по сути, гигантская батарея, ожидающая, когда мы используем ее. Идея в том, чтобы работать с природой, а не против нее».

Киппинг сейчас исследует способы использования других астрономических систем для релятивистского полета. Такие методы «могут быть не такими эффективными или быстрыми, как полет с гало-драйвом, но эти системы обладают большими энергетическими запасами, необходимыми для этих путешествий», сказал Киппинг.