人类未来或可从双黑洞系统获取能量进行星际旅行
一位常春藤联盟的天文学家宣称,人类或许可以通过一种名为“光环驱动器”的全新方法,从双黑洞系统获取能量,从而实现无需燃料的星际旅行。
这位名为大卫·基平的天文学家来自美国哥伦比亚大学,他表示,理论上外星人可能已经在我们不知情的情况下使用这种技术了。光环驱动器推动飞船的原理主要是利用“引力镜”来吸收黑洞的能量。引力镜是指黑洞的某一区域在吞噬物质之后,又将物质以同样的方向抛射出去。
“在宇宙中搜寻智慧生命,往往是在考虑假想先进文明的可能活动,以及可能由此产生的相关技术特征的指导下进行的。”大卫·基平在2月28日发表于预印本期刊网站arXiv的论文中写道,“沿着这些方向,本研究考虑了一个先进文明如何利用光帆概念进行相对论式高效推进的可能性。”
科学家已经观察到,当光子进入引力镜区域并随后被射回时,它们不仅从旅程中获得了速度,而且还保留了一部分动能。大卫·基平表示,利用这些返回的光子——称为“回旋镖光子”——星际旅行者可以从中收集能量,达到比黑洞高133%的速度。
这种从黑洞中获取能量的方法不仅可以避免过于靠近危险的极大引力空间,也将使飞船极难被探测到。很长时间以来,天文学家一直将黑洞视为一种引力弹弓,可以帮助将物体推入遥远的太空。
在“引力弹弓效应”中,某个天体(如行星或卫星)可以将飞船“投掷”出去并使其加速。1963年,著名物理学家弗里曼·戴森提出,任何体积的飞船都可以利用成对的紧密天体(如白矮星或中子星)的引力弹弓效应达到相对论速度——显著接近光速的速度(戴森最著名的构想是被称为“戴森球”的巨大球形结构,先进文明通过戴森球将整个恒星囊括在内,捕获其绝大部分能量)。
然而,这些成对衰亡恒星具有极端的引力和有害辐射,其引力弹弓效应可能会损坏飞船。相反地,大卫·基平指出,引力或许可以提高射向黑洞边缘的激光束能量,从而为飞船提供帮助。黑洞具有强大的引力场,可以扭曲光子的路径,使其不落入黑洞内部。
1963年,物理学家马克·斯塔基提出,黑洞在理论上可以作为一个“引力镜”,即黑洞的引力可以将光子弹回,使其飞向光源。大卫·基平计算出,如果一个黑洞朝着光子来源运动,那回旋镖光子就可以带回黑洞的部分能量。黑洞的移动速度越快,光环驱动器从中获取的能量就越多。因此,大卫·基平认为应该利用合并之前彼此高速螺旋运转的双黑洞。
大卫·基平说:“某个文明可以利用黑洞作为星系航点,但这些航点将很难远程探测到,除非出现双黑洞合并率升高或较高的双黑洞偏心率。”因此,如果某个文明具有足够接近黑洞的能力,在理论上就可以在我们不知情的情况下,利用光环驱动器方法进行星际旅行。天文学家或许可以通过观察双黑洞合并是否发生得更加频繁来寻找外星生命使用光环驱动器的迹象。
大卫·基平的研究主要基于成对黑洞彼此环绕运转时可以达到相对论速度。尽管银河系中估计有1000万对双黑洞,但大卫·基平指出,只有少数双黑洞能以相对论速度长时间彼此环绕运转,因为大多数双黑洞会很快合并。不过,他认为一些孤立旋转的黑洞也可以帮助光环驱动器达到相对论速度,“而且我们已经知道有许多超大质量黑洞以相对论速度旋转”。
光环驱动器的一大缺点是“必须前往最近的黑洞。”大卫·基平说,“这就像一次性支付高速过路费。你必须耗费一定能量才能到达最近的入口,但接下来,你就可以想走多远就走多远。”
光环驱动器只有在非常靠近黑洞——大约是黑洞直径的5到50倍——的距离上才能发挥作用。“这就是你首先必须非常接近黑洞的原因,也决定了你无法以此轻易地跨越数光年的距离。”大卫·基平说,“我们仍然需要先找到某种方法,到达邻近的恒星,然后才能进入星际‘公路系统’。”
大卫·基平表示,与其他假想的星际旅行方式相比,光环驱动器的另一个主要好处是可以极大地减少对燃料来源的需求。其他理论上的星际旅行方式都要求飞船加速到所谓的相对论速度,但这需要大量的燃料,而这些燃料本身也具有质量,反过来要求推进器的功能更加强大。相比之下,光环驱动器只需要从黑洞中采集光子即可,装配有光帆的飞船可以利用激光来推动自己前进。
2016年,物理学家史蒂芬·霍金与投资人尤里·米尔纳共同宣布了“突破摄星”项目的正式启动。该项目的初期投资为1亿美元,计划研发名为“星片”的光帆飞行器,以五分之一光速航行约20年,到达半人马α星——距离我们最近的恒星系统。 (任天)
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