От использования лазерного паруса в качестве двигателя человечество не собирается отказываться. Направляя мощные наземные лазеры на крошечные космические аппараты со световыми парусами, можно разогнать их до околорелятивистских скоростей, при этом самим аппаратам не потребуется топливо, источники энергии или какие-либо двигательные системы. У этой идеи есть явные преимущества — если её, конечно, удастся реализовать.

Два космических аппарата частично воплотили эту идею в жизнь. Аппарат IKAROS японского агентства JAXA и Lightsail-2 от Планетарного общества использовали паруса, но приводились в движение фотонами от Солнца, а не от лазера. Они продемонстрировали, что концепция может работать, по крайней мере частично.

Программа Breakthrough Starshot, которая в настоящее время заморожена, была направлена на создание флота из 1000 миниатюрных космических аппаратов с фотонными парусами и отправку их в 20-летнее путешествие к Альфе Центавра — ближайшей к нам звёздной системе. Флот наноразмерных космических аппаратов [имеются в виду не нанометры, а очень малый размер по сравнению с классическими / прим. перев.], каждый из которых был бы оснащён крошечной камерой, питался бы от наземных лазеров и совершил бы пролёт мимо Проксимы Центавра, предоставив человечеству возможность впервые увидеть вблизи другую звезду и две подтверждённые экзопланеты, вращающиеся вокруг неё.

Хотя проект Breakthrough Starshot, похоже, потерпел неудачу из-за проблем с частным финансированием, общая идея сохранилась. Предложение отправить рой космических аппаратов с лазерными парусами для изучения нашего ближайшего соседа обретает новую жизнь в новой статье. Она озаглавлена «Научные данные, которые можно получить при исследовании системы Проксима Центавра на месте» и доступна на сервере препринтов arxiv.org. Ведущим автором является Т. Маршалл Юбэнкс, главный научный сотрудник Space Initiatives Inc. (Смотрите интервью Фрейзера Кейна с Юбэнксом в конце этой статьи.)

«В будущем межзвёздные исследования на околорелятивистских скоростях станут возможны благодаря лазерной тяге с направленным излучением, — пишут авторы. — Благодаря этому пикоразмерные космические аппараты массой в несколько граммов становятся кандидатами для исследования глубокого космоса, при этом существует компромисс между скоростью и продолжительностью миссии с одной стороны и массой — с другой».

Существует общепризнанный компромисс между традиционными миссиями с использованием отдельных космических аппаратов, оснащённых сложным оборудованием, и миссиями с использованием крошечных аппаратов. Один-единственный крошечный аппарат дал бы крайне ограниченные научные результаты. Однако в составе роя часть этих ограничений можно преодолеть.

Согласно этой идее, рои пикоразмерных космических аппаратов, называемых Coracles, будут выполнять скоростные пролёты мимо системы Проксима Центавра. Оснащённые лишь одним прибором — небольшой цифровой камерой, — «составляющие рой пикоразмерные аппараты смогут обеспечить гигапиксельное разрешение целевых экзопланет», пишут авторы. «Целью нашей миссии является планета Проксима b в зоне обитаемости (HZ) красного карлика Проксима Центавра, третьего (и ближайшего) компонента ближайшей звёздной системы, Альфа Центавра».

Хотя миссия была бы интересна по многим причинам, в том числе для проверки давно обсуждаемой технологии, естественный вопрос касается научных результатов. Какими они могут быть?

Прежде всего, технологические возможности накладывают ограничения на тип наблюдений, которые может выполнять рой, и на объём данных, которые он может передать.

Навигация представляет собой проблему. Поскольку в рое нет «корабля-носителя», который мог бы вести членов роя к месту назначения, миссия должна будет полагаться на что-то вроде навигации по пульсарам, чтобы достичь своей цели. Вероятно, что не все космические аппараты доберутся до цели или окажутся достаточно близко к ней, чтобы быть эффективными. Авторы указывают на несколько решений этой проблемы.

Один из вариантов — отправка крошечных космических аппаратов в виде ряда отдельных зондов. В этом сценарии зонды не обязательно отправлять роем, и не требуется их согласованной группировки. «Это ослабляет ограничения на сроки запуска зондов, но значительно ограничит возможности проведения исследований с участием нескольких зондов и может привести к передаче на Землю меньшего объёма данных, а также избыточных данных», — пишут авторы.

Другой вариант — отправить рой, когерентный во времени. Участники роя должны быть организованы так, чтобы они знали, где находятся они сами и где находится Земля. Тогда, когда данные будут передаваться обратно на Землю, они придут в виде когерентной «стены света». Это потребует синхронизации между зондами и точного времени — задача сложная, которую нужно решить, сохраняя при этом малый размер зондов.

Третьим решением является «разреженная фазированная антенная решётка», но авторы не уделяют ей много внимания из-за её сложности. «Мы не рассматриваем этот последний подход с разреженной фазированной антенной решёткой далее в данной статье из-за крайней сложности фазовой координации в рое», — пишут они.

Идея роя имеет ряд явных преимуществ, и одно из них — избыточность. Не все участники роя должны достичь цели, чтобы миссия считалась успешной. Это даёт миссии некоторую встроенную свободу действий для получения научных результатов. Только небольшая часть зондов должна приблизиться к целям на близкое расстояние.

«Близкий пролёт мимо Проксимы b продлится менее минуты, а изображения с максимальным разрешением будут получены от небольшой группы зондов, которые случайно пройдут ближе всего к интересующим целям», — объясняют авторы.

После того как успешные зонды зафиксируют свои данные, предстоит преодолеть ещё одно препятствие.

«Кроме того, благодаря записям в формате HDR, позволяющим получать до миллиона изображений в секунду на каждую апертуру, во время пролёта рой соберёт терабайты данных», — пишут исследователи. Загрузить все эти данные просто невозможно. Даже если рой потратит годы на загрузку данных, их объём всё равно будет на несколько порядков превышать объём, который можно передать на Землю.

Рою потребуется какой-то способ отбора данных, которые важно передать на Землю, и всё это без помощи наземного персонала миссии, находящегося на расстоянии более четырёх световых лет. Одно из предложений называется «прогнозными» наблюдениями. Члены роя будут делать снимки по мере приближения к основной цели, и искусственный интеллект будет принимать решения о том, какие объекты — например, астероиды или экзолуны — следует отнести к приоритетным для наблюдения и передачи данных. Такая система необходима, поскольку, в отличие от многих других миссий, здесь будет только один пролёт и не будет повторных орбит.

Учитывая эти преимущества и препятствия, авторы утверждают, что можно достичь нескольких научных целей. Рой мог бы снимать видео приближения к звезде за несколько часов до максимального сближения и картографировать её вспышки. Он также мог бы снимать видео приближения к Проксиме Центавра b за несколько дней до пролёта и обнаруживать любые экзолуны. Эти видеозаписи приближения также могли бы служить в качестве данных предварительного обзора (lookahead) для выбора целей для дальнейших наблюдений.

Авторы отмечают, что рой может кардинально изменить наше представление о Проксиме Центавра b, даже если к ней приблизятся лишь некоторые из его членов. «В рое, насчитывающем несколько сотен уцелевших членов и имеющем общую протяжённость 105 км, некоторые участники должны пройти на расстоянии около 104 км от целевой планеты (что примерно соответствует её диаметру), что обеспечит потенциальное разрешение изображения Проксимы b около 20 метров», — поясняют они. Рой потенциально может также получить изображение ночной стороны приливно-захваченной планеты.

Помимо получения изображений, рой также мог бы проводить спектроскопию пропускания атмосферы Проксимы Центавра b. «Спектроскопию пропускания можно проводить на Проксиме b с использованием естественных и искусственных источников, и она, благодаря поиску спектральных линий биомаркеров и техносигнатур, вероятно, станет лучшим средством для установления существования биологического или даже технологического общества на Проксиме b», — пишут исследователи.

Рой также мог бы наблюдать частые вспышки Проксимы Центавра, чтобы узнать больше о ней и других карликах класса M. Эти звёзды склонны к вспышкам, которые могут срывать атмосферы планет и лишать их пригодности для жизни. Более внимательное изучение одной из них стало бы огромным подспорьем для астрофизиков.

Существует также возможность проведения ударной спектроскопии. «Расстояние между зондами в центре флота может составлять всего несколько тысяч километров, и вполне возможно, что один или несколько зондов Coracle войдут в атмосферу Проксимы b, если она существует, или ударятся о поверхность, если её нет», — пишут авторы. Рой сможет отслеживать вспышки, возникающие при ударах, чтобы узнать больше о составе экзопланеты.

Существует также потенциал для дальнейших научных исследований, когда рой выйдет за пределы Проксимы Центавра. «Примерно через год после встречи с Проксимой рой совершит удалённую встречу с системой α Cen AB, с максимальным сближением ∼10 000 а.е.», — пишут авторы.

Другие звёзды находятся настолько далеко, что для их достижения потребуются ещё более смелые инициативы. Хотя инженеры постоянно обсуждают другие передовые технологии двигателей, неизвестно, когда они будут реализованы. Вот почему идея лазерного паруса не теряет актуальности.

«Межзвёздные зонды весом в несколько граммов, движимые лазерным светом, вероятно, будут единственной технологией, способной достичь другой звезды в этом столетии, — пишут авторы в своём заключении. — Миссия роя, летящего со скоростью, близкой к релятивистской, могла бы обеспечить тщательное первоначальное изучение Проксимы b как экзопланеты и должна была бы обнаружить биосигнатуры и техносигнатуры на Проксиме b, если таковые имеются».