Звездолеты будущего полетят на «чернухе»

Иногда в ежедневной рассылке свежих астрономических статей встречаются работы, на первый взгляд, безумные. То есть не откровенная фальсификация, а честная попытка научного исследования, но как-то совсем не вписывающаяся в современную научную парадигму. Как правило, такие статьи обширны, написаны учеными, которые давно вышли на пенсию, и зачастую на плохом английском.

Авторов таких работ научное сообщество сразу записывает в число «сумасшедших чудачков» и втихаря или явно над ними посмеивается. Тем не менее, порой вспоминается Нильс Бор с его изречением: «Достаточно ли эта идея безумна, чтобы быть правильной?» Или Циолковский, над трудами которого о межпланетных перелетах научный истеблишмент весело смеялся всего 100 лет назад.

Возможно, как раз Циолковский – наиболее уместное сравнение с автором статьи, появившейся на неделе в Архиве электронных препринтов Корнельского университета. Статья пока нигде не напечатана и даже никуда не отдана на рецензию. В ней описывается, как загадочная космическая субстанция, в существовании которой большинство ученых твердо уверено, но которую никто не видел, может помочь человечеству выйти за пределы Солнечной системы.

«Чернуха» в природе и в искусстве

Поклонники мультипликационного сериала Futurama хорошо знакомы с «чернухой». Тем, кто его не видел, стоит пояснить, что это утверждение никоим образом не отражает этическую или эстетическую оценку комедийного сериала. «Чернухой» в мультфильме называется топливо космических кораблей будущего. Это продукт жизнедеятельности разумной расы мелких, но очень прожорливых инопланетян -- зубастиков, эдакие невероятно плотные черные шары – размером с шар для американского бильярда и с массой под центнер.

В оригинальном англоязычном варианте мультика «чернуха» называется dark matte. Точно так же астрономы называют по-английски непонятную форму материи, которая очень слабо взаимодействует с обычным веществом, но при этом в разы превосходит его по средней плотности во Вселенной. По-русски это вещество долгое время называли «скрытой массой»: именно такой массы обычного вещества не хватает, чтобы объяснить наблюдаемое движение галактик. Однако в последнее время прижилась калька «темное вещество» или даже «темная материя».

Возможно, и поклонникам сериала, и тем, кто его ни разу не видел, будет интересно узнать, что та форма темной материи, что предположена в мультфильме, в принципе не противоречит современным астрономическим данным (см. врез). Тем не менее, свидетельств существования расы космических зубастиков у современной науки нет. И, чтобы не измышлять лишних гипотез, ученые пока склоняются к менее экзотическим объяснениям физики темной материи. Например, слабо взаимодействующим частицам из минимальных расширений Стандартной модели физики элементарных частиц.

Темная материя – народному хозяйству

Тем любопытнее, что мультяшной и реальной темной материи можно найти одно и то же применение. В мультфильме один профессор из будущего придумал, как топить «чернухой» двигатели космических кораблей, и тем самым открыл людям дорогу к межзвездным путешествиям. Реально существующий физик-теоретик Цзя Лю из университета Нью-Йорка и Института теоретической физики при Пекинском университете полагает, что его идея послужит той же цели.

«Все, что существует в природе, люди могут использовать в качестве природных ресурсов, – пояснил свою мотивацию Лю в интервью Infox.ru. – Мы должны обнаружить темную материю, понять ее свойства и использовать. И я надеюсь, что так оно и будет».

Ученый отмечает, что сегодняшние космические ракеты неспособны разогнаться до скоростей, нужных для межзвездных путешествий. Они опираются на химию сгорания топлива в окислителе. Причем топливо и окислитель приходится брать с собой, а значит, поначалу тратить большую часть выделяющейся энергии на разгон самого топлива. А из курса механики и формулы, носящей имя Циолковского, известно, что на разгон до скоростей, существенно больших скорости продуктов сгорания, требуется безумное количество топлива. Именно поэтому космические ракеты так громадны.

В своей работе Лю сравнивает ракету с самолетом, который тоже носит топливо с собой, а вот окислитель (кислород) получает из окружающей среды. Двигатель, который предлагает китайский ученый, еще лучше – из окружающей среды он берет топливо, а никакой окислитель ему вовсе не нужен. В двигателе Лю темную материю корабль вбирает в себя при движении, как двигатели самолета – кислород, а аннигилирует она сама с собой.

Ящик с крышкой

Принципиальная схема нового движителя проста до неприличия. Представьте себе огромный ящик с открывающейся крышкой, который летит открытым забралом вперед. Как кит, пропускающий через ус тонны воды, ящик будет ловить в свою разверзнутую пасть темную материю.

Если теперь закрыть ящик и сжать его со всех сторон, скорость ее аннигиляции существенно возрастет, поскольку она пропорциональна квадрату плотности частиц темной материи (для аннигиляции должны встретиться две частицы). При аннигиляции получаются частицы обычного вещества, которые движутся с большой скоростью. Но обычными частицами уже несложно управлять – например, заставить их вылететь в нужном нам направлении. Вылетая куда надо, они и создадут реактивную силу, которая разгоняет космическую ракету. Скорости этих «продуктов сгорания темной материи» близки к скорости света, так что и разгон до релятивистских скоростей здесь вполне реален.

Разумеется, никто не может гарантировать, что частицы темной материи способны аннигилировать друг с другом, рассыпаясь на частицы обычного вещества. Ученые ни на грамм не уверены даже в том, что между «темным» и обычным мирами вообще есть какая-то связь, кроме гравитационной. Однако результаты некоторых опытов в последнее время – в первую очередь, эксперимента PAMELA, намекают на возможность взаимных превращений между двумя классами частиц.

Превращаться в электроны, позитроны и прочие кирпичики обычного вещества частицы темной материи могут двумя способами – при самопроизвольном распаде или при взаимной аннигиляции друг с другом. Ни один из вариантов не является предпочтительным с точки зрения наблюдений, и Лю выбрал тот, что ему больше подходит.

В свое основное рабочее время ученый занимается как раз моделями аннигиляции темной материи. Так что он воспользовался параметрами одной из них, вполне допустимой с наблюдательной точки зрения. Для определенности расчетов Лю также зафиксировал параметры гипотетического космического корабля – размеры 10 на 10 квадратных метров для собирающей топливо «пасти» и 100 тонн массы.

Топливо сгущается

Основная часть работы посвящена расчету ускорения звездолета при движении через «реалистичное» распределение темной материи. Поскольку от плотности темного вещества напрямую зависит количество потребляемого топлива, плотность становится ключевым параметром при расчетах мощности двигателя и ускорения космического аппарата.

Распределение темной материи, по мнению ученых, должно быть крайне неоднородным и иерархическим. Крупнейшие сгустки темной материи – масштабов галактических скоплений -- состоят из сгустков поменьше, размером с галактику, при этом к центру крупного сгустка становится все больше его маленьких аналогов. Галактические сгустки имеют такую же структуру и состоят из так называемых субгало. Те так же разбиваются на сгустки еще меньшие и так далее, вплоть до «микрогало» самого маленького масштаба.

Понятно, что чем меньше сгустки, тем они плотнее, а самыми плотными – и потому самыми важными для будущих звездолетов – являются как раз самые маленькие. Пока этот самый маленький масштаб недоступен ни наблюдениям, ни подробному компьютерному моделированию. Однако предельную плотность в центре самых маленьких сгустков можно оценить из баланса между падением темной материи на центр и ее аннигиляцией здесь же (для распада этот трюк не проходит).

При выбранных параметрах получается максимальная плотность в 10 миллиардов солнечных масс на кубический парсек. Это примерно на 12 порядков ниже плотности воды (при нормальных условиях, конечно). Иными словами, даже в самых плотных своих местах темная материя остается штукой почти эфемерной с общечеловеческой точки зрения – кубик со стороной в километр будет весить всего 1 кг. Правда, по меркам космоса, максимальная плотность темной материи колоссальна – ведь плотность Вселенной в среднем на 29 порядков ниже водной.

Звездолеты на больших дорогах

Как подсчитал Цзя Лю, в регионах с максимальной плотностью темной материи его двигатель невероятно эффективен – для разгона до почти световой скорости звездолету с 10-метровой «пастью» потребуется всего пара дней, а при площади в десять раз большей – несколько часов.

Тем не менее, длина разбега в этом случае составит десятки миллиардов километров, то есть порядка размеров нашей планетной системы. Но такими крупными самые плотные участки микрогало, по-видимому, не бывают. Максимум, на что мы можем рассчитывать с компактным звездолетом – сотни километров в секунду, и то лишь вблизи центра Галактики, куда еще надо как-то добраться.

Чтобы разогнаться на аннигиляции темной материи до околосветовых скоростей, потребуются крупные космические корабли с пастью размером в сотни и тысячи метров. И при этом неплохо бы знать не «реалистичное», а истинное распределение темной материи по Галактике, чтобы двигаться от плотного сгустка к плотному сгустку, где можно и ускориться, и затормозиться.

Если звездолеты с двигателями Лю когда-нибудь станут бороздить галактические просторы, карта плотности темной материи станет для них главным путеводителем. По словам самого ученого, результаты компьютерных симуляций распределения темной материи иногда кажутся ему картой межзвездного трафика будущего, с крупными сгустками вместо больших городов и международных аэропортов.

Космические карты

Впрочем, пока астрономы еще не научились составлять такие карты. Первых результатов в этом направлении научный мир ждет от космического гамма-телескопа имени Ферми. Данные с него должны пойти буквально в эти дни – на прошедшей неделе исполнился год с начала научной работы спутника, и именно год дается создателям телескопа на то, чтобы снять с наблюдений «научные сливки». Слухи о первых результатах уже появились, но пока ситуация неопределенная. Успеха никто не гарантирует, и нет даже твердой уверенности, что Fermi вообще сможет увидеть, где лежит темная материя.

Однако и двигателей на темной материи в реальности пока никто не создал, и вообще не очень понятно, как можно ловить, а потом сжимать темную материю, если она так плохо взаимодействует с обычным веществом. Нью-йоркский мечтатель Лю думает приспособить под стенки двигателя само темное вещество. Какова структура этого скрытого пока от нас мира, ученым неизвестно, но в последнее время стали появляться экспериментальные указания на то, что она может быть совсем нетривиальной.

Правда, со стороны вариант со стенками из темной материи кажется скорее переносом проблемы, чем ее решением. Ведь двигатель звездолета должен двигать нас и двигаться вместе с нами. А как ему это сделать, если он очень слабо с нами взаимодействует?

Может, космические зубастики что-нибудь подскажут изобретателю? Нет, не подскажут. Цзя Лю заверил Infox.ru, что мультсериал Futurama никогда в жизни не смотрел.