Комуникацията с космически кораб, движещ се със скорост, близка до светлинната, ще бъде странна и трудна

Ваня Милева Последна промяна на 08 декември 2023 в 00:00 37150 0

Илюстрация на междузвезден космически кораб, пътуващ със скорост, близка до светлинната.

Кредит Universe Today, направено с Midjourney

Илюстрация на междузвезден космически кораб, пътуващ със скорост, близка до светлинната.

Някой ден, в не много далечното бъдеще, хората може да изпратят роботизирани сонди, за да изследват близките звездни системи. Тези изследователски космически кораби вероятно ще приемат формата на светлинни платна (като Breakthrough Starshot), които ще разчитат на насочена енергия (лазери), за да се ускорят до релативистични скорости – което означава скорости, сравними със скоростта на светлината.

С такъв вид скорост светлинните платна ще могат да извършат пътуването през междузвездното пространство за няколко десетилетия вместо за столетия (или по-дълго). Като се има предвид времето, тези мисии биха могли да послужат като ориентир за по-амбициозни изследователски програми, включващи астронавти.

Разбира се, трябва да вземат предвид огромните технически трудности, произтичащи от междузвездно пътуване. В наскоро публикуван документ екип от инженери и астрофизици разглежда ефектите, които релативистичното космическо пътуване ще има върху комуникациите.

Техните резултати показват, че по време на круизната фаза на мисията (където космически кораб се движи със скоростта, близка до светлината), комуникациите стават проблематични и за еднопосочните, и двупосочните връзки. Това ще създаде значителни предизвикателства за мисиите с екипаж, но няма да остави и роботизираните мисии до голяма степен незасегнати.

Тези трудности се разглеждат от екип, състоящ се от Дейвид Месершмит (David Messerschmitt), , почетен професор по електротехника и компютърни науки в Калифорнийския университет в Бъркли; Иън Морисън (Ian Morrison), научен сътрудник в International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) към Университета Къртин и разработчик на комуникации и обработка на сигнали в Astro Signal Pty Ltd; Томас Моздзен (Thomas Mozdzen), учен изследовател в School of Earth and Space Exploration в Държавния университет на Аризона; и Филип Лубин (Philip Lubin), професор по физика и ръководител на Experimental Cosmology Group на  Държавния университет на Аризона.

Препринтът на статията се преглежда за публикуване от Elsevier и скоро ще се появи онлайн.

Илюстрация на художник на светлинно платно, захранвано от радиолъч (червен), генериран на повърхността на планета. Кредит: M. Weiss/CfA

За своето проучване екипът от няколко американски университети взема предвид както роботизирани (без екипаж), така и профили на мисии с екипаж.

Първият тип мисии се състоят от концепции, подобни на Starshot и Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration или "насочено енергийно задвижване за междузвездно изследване" (DEEP-In) – известен още като Starlight. Последната концепция е тази, която проф. Любин и колегите му от UCSB Experimental Cosmology Group разработват от 2014 г. чрез програмата NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Техният анализ обаче се различава, тъй като разглежда сценарии, при които космически кораби се доближават до скоростта на светлината – вместо 10% до 20%, изисквани с Starlight и концепции на Starshot.

За мисии без екипаж операциите с дистанционно управление и предаването на данни изискват надеждна комуникация по време на определени фази. За мисиите с екипаж обаче поддържането на постоянна комуникация с дома е от решаващо значение за дългосрочното добро състояние на астронавтите. Независимо от профила на мисията, комуникациите неизменно се свеждат до предавания в електромагнитния спектър (радиовълни, лазери и т.н.) и как те се разпространяват в космоса. Както екипът обяснява на Universe Today:

"Правим предположението, че комуникационните сигнали са електромагнитни, следователно се предават чрез фотони. Това се отнася до скоростта на разпространение на комуникационен сигнал и до забавянето на разпространението. Връзките време/закъснение са независими от дължината на вълната и следователно се прилагат еднакво за радио, микро- или оптични вълни."

Друго ключово съображение е, че комуникациите при релативистични скорости трябва да вземат предвид ефектите от Специалната теория на относителността. Накратко, космически кораб, пътуващ със значителна част от скоростта на светлината, ще изпита забавяне на времето, при което неговите вътрешни часовници ще напредват по-бавно от часовниците на мисията на Земята. Друго съображение е, че комуникациите към и от мисията ще бъдат обект на Доплерово отместване. Както ни учи Специалната теория на относителността, скоростта на светлината е постоянна във вакуум и не се ускорява или забавя въз основа на движението на наблюдателя или източника.

Анотирана илюстрация на междузвездната среда. Кредит: Charles Carter/Keck Institute for Space Studies

Но ако пространството между обектите се разширява, дължината на вълната на светлината ще бъде изместена към червения край на спектъра (известен още като червено отместване). Анализът на екипа установява, че ситуацията би била по-опростена за роботизирани мисии, тъй като комуникациите са необходими само по време на фазата на кацане. Въпреки това, за мисии с екипаж, постоянната комуникация е желателна за всички фази на мисията, включително круизната фаза (когато космическият кораб ще бъде ускорен до релативистична скорост). В този случай, казваа екипът, се появяват проблеми:

"Основните разглеждани ефекти са големи забавяния на разпространението заедно с забавянето на времето на часовниците, пътуващи с висока скорост. Анализът е от гледна точка на пътешественика с релативистична скорост, а не на инерционен наблюдател (като в астрономическа обсерватория), което доколкото ни е известно, не е било разглеждано преди това в литературата. Резултатите показват, че закъсненията на двупосочните съобщения могат да бъдат изключително високи, скоростите на срийм предавания на медии могат да бъдат значително забавени и при определени обстоятелства комуникациите да станат невъзможни. Релативистките космически кораби и техните астронавти трябва да функционират до голяма степен автономно."

Тези резултати имат сериозни последици за осъществимостта на междузвездните мисии. Невъзможността за поддържане на контакт със Земята в определени периоди от мисията, трудността при предаване на информация и необходимостта от автономност представляват значителни предизвикателства. При тези обстоятелства бъдещите поколения може да изберат да ограничат междузвездните мисии до роботизирани апарати. Като алтернатива те могат да изберат да поставят екипажите в хибернация или криогенно състояние, така че да не е необходима комуникация по време на круизната фаза.

Но както отбеляза екипът, техният анализ се свежда до количествено определяне на трудностите при поддържането на комуникации с релативистична мисия. Това е абсолютно необходимо, преди да могат да се правят опити за планиране на междузвездни полети. Освен това, вероятно ще има няколко нововъведения и промени от сега до деня, в който се обмислят човешки междузвездни мисии, които биха могли да променят картината. Както обобщават авторите:

"Дизайнът на всякакви бъдещи междузвездни мисии, включващи астронавти, особено на по-големи разстояния, ще бъде значително повлиян от ограниченията на комуникациите, наложени от големи разстояния и скорости на космически кораби, близки до скоростта на светлината. Докато аналитичният подход е общ, числените резултати се прилагат към хипотетични бъдещи мисии, при които хората пътуват със скорост, близка до скоростта на светлината. Въпреки че такива скорости не са осъществими с настоящите технологии за задвижване, това може да се промени. Тези скорости може да не са необходими за човешкото пътуване до най-близките звезди, но биха позволили пътуване до много по-големи разстояния в рамките на типичния човешки живот."

Справка: Timing relationships and resulting communications challenges in relativistic travel; David Messerschmitt, Ian Morrison, Thomas Mozdzend, Philip Lubine; https://arxiv.org/pdf/2311.14039.pdf 

Източник: Communicating With a Relativistic Spacecraft Gets Pretty Weird, Universe Today

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !