Zeilrace naar de sterren

De viering van 50 jaar maanlanding brengt de verkenning van de ruimte weer in beeld. In het komende decennium willen we meermaals terug naar de maan en in de jaren 2030 volgt er mogelijk een nog reusachtigere leap for mankind met een bemande missie naar onze buurplaneet Mars.

Mission impossible?

Maar sinds we weten dat het heelal wemelt van de exoplaneten, blijft de ultieme droom om een ruimtetuig naar een ander zonnestelsel te sturen. Michel Mayor, kersvers Nobelprijswinnaar Natuurkunde vanwege zijn ontdekking van de eerste exoplaneet rond een ‘normale’ ster, ziet het echter niet meteen gebeuren.

Afstanden in de ruimte zijn immers dermate groot dat een ruimtetuig snelheden in de buurt van de lichtsnelheid moet halen om binnen een redelijke termijn een hemellichaam buiten het zonnestelsel te bereiken. Neem bij voorbeeld onze dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri. Die staat op 4,25 lichtjaar. Met onze huidige rakettechnologie ben je al gauw 80.000 jaar onderweg vooraleer je je bestemming bereikt. Om sneller te reizen, heb je meer brandstof nodig. Maar dat maakt het ruimtetuig zwaarder, waardoor je meer energie, dus mee brandstof, nodig hebt om het te versnellen.

Om de afstand tot onze dichtst buurster enigszins voorstelbaar te houden, hebben we al gauw een logaritmische schaal nodig.

… of toch niet?

Tenzij we met een volstrekt andere technologie op de proppen komen. Dat is precies wat Breakthrough Starshot beoogt. Dit project, opgezet door de steenrijke zakenman Yuri Milner, de intussen overleden kosmoloog Stephen Hawking en de alomtegenwoordige CEO van Facebook, Mark Zuckerberg, wil laserstralen gebruiken als aandrijving. De energiebron hoeft dan niet langer als ballast mee te reizen, want je zou een heel legertje laserkanonnen op het aardoppervlak kunnen posteren, om van daaruit fotonen af te vuren op de zeilen van ruimtesondes.

In het project Breakthrough Starshot zouden laserkanonnen op het aardoppervlak voor de aandrijving zorgen.

Die ruimtesondes zelf zouden piepklein en vederlicht zijn. Ze bestaan in essentie uit een chip en een zeil. De chip bevat de elektronische componenten, zoals een camera, radio, antenne, computer en controlesysteem.

De StarChip, het piepklein technologisch hart van de sonde.

Als de lichtzeiltechnologie helemaal op punt staat, belooft Breakthrough Starshot dat je een lichtsurfend tuig aan 20% van de lichtsnelheid kan laten reizen. Na een ruimtereis van pakweg 20 jaar – te vergelijken met de 80.000 jaar met de huidige rakettechnologie – kan het nanoruimtetuig plaatjes schieten van de planeten rond de dubbelster Proxima Centauri. Een flinke 4 jaar later ontvangen we de beelden onze beeldschermen.

Waar staan we nu?

Tot zover het einddoel van dit ambitieus project, maar hoe realistisch is de uitvoering ervan? Het goede nieuws is dat de eerste mijlpaal alvast bereikt is. Na een succesvolle testvlucht met LightSail 1 in 2015, werd LightSail 2 op 25 juni 2019 gelanceerd met een Falcon Heavy raket uit de stal van Elon Musks SpaceX. Helemaal volgens schema verliet de compact ingepakte LightSail 2 7 dagen later een 2de ruimtetuig, de Prox-1, om op 2 juli contact te leggen met het controlecentrum. Nog eens drie weken later, op 23 juli, klapte het lichtzeil van 32 vierkante meter open.

Volg LightSail 2 live op http://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/lightsail-mission-control.html

In deze eerste stap vliegt het tuig nog niet op laserlicht, maar op zonnestralen. De LightSail 2 draait rondjes rond de aarde en moet daarbij voortdurend het zeil bijzetten om de lichtdeeltjes van de zon erop te laten inbeuken. Deze fotonen laten ook toe om van orbit te veranderen. Tot dusver heeft LightSail 2 alle verwachtingen ingelost, wat de missie tot een succes maakt. Het zonnezeil mag zijn kunstjes vermoedelijk een jaar lang laten bewonderen, tot augustus 2020.

Een blik op de toekomst

En dan begint het pas echt. Succes in stap 1 geeft je uiteraard geen enkele garantie om succes in de vervolgstappen. Er vallen inderdaad nog wel wat obstakels uit de weg te ruimen. In de eerste plaats is het een hele klus om de koers heel precies te bepalen. Het grote voordeel van de aandrijving op het aardoppervlak te houden, heeft immers een belangrijk nadeel: je kan onderweg niet meer bijsturen. De laserkanonnen zorgen voor de initiële push, waarna het nanotuigje zijn weg in rechte lijn verderzet. De afstand tot Proxima Centauri is zo ontzaglijk groot (in kilometer uitgedrukt een getal met 14 cijfers) dat de geringste afwijking bij de start je hopeloos uit koers brengt. Om dat een beetje op te vangen zou Breakthrough Starshot een hele zwerm nanoruimtetuigjes de ruimte in schieten.

Met een heuse zwerm ruimtetuigjes verhoog je de kans om het doel te bereiken.

Verder zijn er nog heel wat technologische uitdagingen. Kan je de minuscule chips een voldoende groot vermogen en diafragma geven om signalen naar aarde te kunnen zenden? Kan je de laserkanonnen op de grond met voldoende vermogen optuigen om de nanootjes op snelheid te krijgen? Wat de laatste vraag betreft, zou je in totaal naar schatting 100 gigawatt nodig hebben. Het Amerikaans leger plant momenteel de bouw van een laser met een vermogen van 100 kilowatt. Als dat lukt, zou je er dus 1 miljoen van nodig hebben om aan 100 gigawatt te komen. Naast de technologische uitdaging hangt er ook een stevig prijskaartje aan vast: die ene laser van 100 kilowatt zou 140 miljoen dollar kosten. Dat bedrag zou je dan met 1 miljoen moeten vermenigvuldigen…

Anderzijds zit er niet meteen een showstopper in het verhaal. Het zal tijd vergen om alle hindernissen op te ruimen, maar binnen dit en enkele decennia moet dat volgens de betrokkenen wel lukken. Als je daar de 25 jaar bijtelt om de plaatjes te schieten en naar de aarde terug te sturen, zou je afgerond over een jaar of 50 jaar een close-up van een ander zonnestelsel mogen verwachten.

Maar het zal het wachten waard zijn: exoplaneet Proxima Centauri b ligt in de bewoonbare zone rond onze buurster en bevat dus mogelijk water…

Nieuwtjes uit het heelal

    

De week van 16 september 2019 bracht ons: nieuws over een interstellaire komeet, neutronensterren met overgewicht, zwarte gaten met of zonder haar en een ouderdomsbepaling van het heelal.

1. Komeet op bezoek

Herinnert u zich ‘Oumuama nog? Dit sigaarvormig donker rotsblok liet zich op 20 oktober 2017 betrappen door een telescoop in Hawaï. Vrij snel werd duidelijk dat het ontstaan is buiten het zonnestelsel. Daarmee werd ‘Oumuama – Hawaïaans voor ‘boodschapper van ver’ – het eerste ons bekende interstellair object dat ons zonnestelsel met een bezoekje vereerde.

Intussen hebben we nummer 2 te pakken: C/2019 Q4 is een interstellaire komeet, voor het eerst eind augustus gespot door de Russische amateurastronoom Gennady Borisov. Terwijl we ‘Oumuama pas in de smiezen kregen toen die alweer bijna het zonnestelsel verlaten had, zijn we er deze keer veel vroeger bij. Goed nieuws voor de sterrenkundigen, die het nog maandenlang zullen kunnen onderzoeken met hun telescopen.

2. Neutronenster met overgewicht

Hoe het afloopt met een ster hangt van slechts enkele parameters af. De voornaamste is de massa. Een ster zoals de zon eindigt als een witte dwerg. Zwaardere exemplaren stoten aan het eind van hun opeenvolging van kernfusieprocessen de buitenste lagen uit, wat aanleiding geeft tot een supernova. Welk soort object de overblijvende kern is, hangt alweer af van de massa. De minder zware gaan door als neutronenster, de zwaarste als zwart gat.

Sterrenkundigen zijn vooral geïnteresseerd in het omslagpunt tussen beide: wat is de maximale massa van de overblijvende kern die toch nog neutronenster blijft en geen zwart gat? Wat voor eigenschappen heeft een neutronenster die net geen zwart gat geworden is?

Met het oog op dit type vragen heeft de Green Bank Telescope, een reusachtige radiotelescoop, ons zonet een mooie dienst bewezen. De telescoop zoemde in op  J0740+6620, een neutronenster met 2,17 keer de massa van de zon, samengebald in een bol met een diameter van zowat 30 km. Met deze waarde flirt dit object met het omslagpunt. De vorige recordhouder kwam uit op ‘slechts’ 2,01 zonsmassa’s.

3. Het kapsel van een zwart gat

Sinds de jaren 1970 vermoeden theoretische natuurkundigen dat slechts drie eigenschappen, waaronder de massa, een zwart gat kenmerken. Het maakt dus niet uit hoe het zwart gat ontstaan is en welke materie erin terechtgekomen is. Het principe dat al dit soort bijkomende informatie niet ter zake doet, staat bekend onder de uitdrukking ‘Een zwart gat heeft geen haar’.

Sinds enkele jaren kunnen we zwaartekrachtgolven daadwerkelijk meten met instrumenten als het LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Dat brengt dit soort aannames nu ook in aanmerking voor empirische toetsing. Wanneer twee zwarte gaten samensmelten, zendt het nieuw ontstaan zwart gat zwaartekrachtgolven uit. Gedurende korte tijd kan je boventonen ‘horen’, net als bij een bel.

De gemeten grondtoon en boventonen blijken minder dan 20% te verschillen van wat je volgens het ‘geen haar’-theorema zou verwachten. Geen slecht resultaat voor wie denkt dat een zwart gat geen haar heeft, al is er meer precisie nodig om te kunnen uitsluiten dat zwarte gaten ‘een beetje haar’ hebben.

4. Hoe oud is het heelal?

De leeftijd van het heelal wordt geschat op 13,8 miljard jaar. Dat getal staat reeds sinds eind vorige eeuw vrij stabiel. Maar Inh Jee van het Max Plank Institute for Astrophysics in Duitsland betwist dit nu.

Door het principe van zwaartekrachtlenzen verder uit te diepen, is hij van oordeel dat de hubbleconstante, de geschatte snelheid waarmee het heelal uitdijt, hoger ligt dan gedacht. Dan heeft het heelal minder tijd nodig gehad om de huidige mate van uitdijing te bereiken en is het dus jonger. Jee wil maar liefst twee miljard jaar van de leeftijd van het heelal afpitsen.

Tot dusver reageert de wetenschappelijke gemeenschap eerder sceptisch op Jee’s claim.