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Raumfahrzeuge, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit reisen, sollten mit der aktuellen Technologie sichtbar sein, sagen Ingenieure
Interstellare Reisen mögen Stoff für Science-Fiction sein, aber es ist einfach zu berechnen, dass es möglich sein sollte, wenn man die Möglichkeit hat, mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Diese Art von Geschwindigkeiten könnten sogar mit Technologien der nahen Zukunft und den Steuergeldern erreicht werden, um sie zum Laufen zu bringen.
Natürlich gibt es große Herausforderungen. Und heute skizzieren Ulvi Yurtsever und Steven Wilkinson vom Verteidigungsunternehmen Raytheon in El Segundo, Kalifornien, eine weitere, die bisher scheinbar übersehen wurde.
Diese Jungs weisen darauf hin, dass jedes Objekt, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt, mit Photonen im kosmischen Mikrowellenhintergrund interagiert. Diese Wechselwirkung sollte einen Luftwiderstand erzeugen, der der Geschwindigkeit, mit der sich Raumfahrzeuge bewegen können, bestimmte Grenzen auferlegt, sagen sie.
Aber es sollte auch eine einzigartige Signatur der relativistischen Raumfahrt erzeugen, die mit der heutigen Technologie sichtbar sein sollte, falls irgendwelche Fahrzeuge dieses Typs durch unsere galaktische Nachbarschaft rasen.
Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist das Echo des Urknalls. Dies ist Licht, das von den frühesten Momenten der Schöpfung übrig geblieben ist, das durch die Ausdehnung des Universums gedehnt wurde. Obwohl es also als viel energiereichere Strahlung mit kürzerer Wellenlänge begann, liegt es jetzt im Mikrowellenbereich.
Diese Strahlung erfüllt das Universum. Jeder Kubikzentimeter des Kosmos enthält über 400 kosmische Mikrowellenphotonen, so dass ein Raumschiff, das den interstellaren Raum durchquert, jede Sekunde mit Tausenden von Milliarden von ihnen kollidieren würde.
Auf mikroskopischer Ebene kann man sich diese Kollisionen so vorstellen, als würde jedes Photon mit hoher Energie auf einen Kern treffen. Teilchenphysiker wissen sehr wohl, dass diese Kollisionen, wenn die Energie hoch genug ist, Elektron-Positron-Paare erzeugen sollten.
Yurtsever und Wilkinson weisen darauf hin, dass diese Photonen im Ruhesystem des Raumfahrzeugs, das sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, als hochenergetische Gammastrahlen erscheinen. Wenn diese Gammastrahlen eine Energie haben, die größer ist als die Ruhemasse eines Elektrons und eines Positrons, dann erzeugt die Kollision ein Elektron-Positron-Paar.
Sie zeigen weiter, dass dieser Prozess enorme Energiemengen verbraucht. Die Erzeugung jedes Elektron-Positron-Paares verbraucht 1,6 x 10^(-13) Joule. Geht man von einer effektiven Querschnittsfläche von beispielsweise 100 Quadratmetern aus, beträgt der dissipative Effekt etwa 2 Millionen Joule pro Sekunde, sagen Yurtsever und Wilkinson.
Im Ruhesystem des Raumfahrzeugs ist die Dissipation aufgrund der Zeitdilatation sogar noch höher. Sekunden dauern effektiv länger, wenn Sie mit hoher Geschwindigkeit fahren, sodass die Energiedissipation erheblich höher ist und in der Größenordnung von 10^14 Joule pro Sekunde liegt.
Das ist ein erheblicher Widerstand, den die Triebwerke des Raumfahrzeugs überwinden müssen, nur um es auf einer konstanten Geschwindigkeit zu halten, sagen Yurtsever und Wilkinson. Sie argumentieren, dass dies ein guter Grund sei, die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs unter der Schwelle für die Bildung von Elektron-Positron-Paaren zu halten und dadurch den Luftwiderstand auf ein vernachlässigbares Niveau von nur wenigen Joule pro Sekunde zu reduzieren. Dieser Schwellenwert tritt auf, wenn das Raumfahrzeug eine Geschwindigkeit erreicht, die 1 – 3,3 x 10^-(17) der Lichtgeschwindigkeit beträgt.
Die Bewegung eines relativistischen Raumfahrzeugs wird einen weiteren Effekt haben. Es sollte den kosmischen Mikrowellenhintergrund so streuen, dass eine einzigartige Signatur entsteht. Wenn sich ein baryonisches Raumschiff mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegt, wird es durch Streuung mit dem CMB interagieren, um eine Frequenzverschiebung zu verursachen, die mit aktueller Technologie auf der Erde nachweisbar sein könnte, sagen Yurtsever und Wilkinson.
Sie fahren fort, die Eigenschaften dieser Signatur zu berechnen. Sie sagen, dass die Streuung Strahlung im Terahertz- bis Infrarotbereich des Spektrums erzeugen sollte und dass sich dieses Signal relativ zum Hintergrund bewegen sollte. Die herausragenden Merkmale des Signals sind ein schneller Temperaturabfall, begleitet von einem schnellen Anstieg der Intensität, zusammen mit der Bewegung der Quelle in Bezug auf ein Referenzsystem, das an entfernten Quasaren befestigt ist, was beobachtbar sein sollte, sagen Yurtsever und Wilkinson.
Mit anderen Worten, wenn relativistische Raumfahrzeuge durch den interstellaren Raum rasen, sollte diese Art von Signatur mit der aktuellen Generation astrophysikalischer Observatorien sichtbar sein.
Das ist eine interessante Arbeit, die die Analyse der relativistischen Raumfahrt auf eine neue Ebene hebt. Andere Forscher haben die Möglichkeit untersucht, relativistische Raumfahrzeuge anhand der optischen Emissionen zu beobachten, die ihre Triebwerke erzeugen müssen. Aber Yurtsever und Wilkinson gehen noch weiter.
Natürlich machen sie eine Reihe von Annahmen, nicht zuletzt, dass eine relativistische Raumfahrt überhaupt möglich ist. Sollte eine fortgeschrittene Zivilisation einen solchen Sprung in den Kosmos wagen, ist die Wechselwirkung mit den kosmischen Photonen wahrscheinlich das geringste ihrer Probleme, da eine Kollision mit Materie viel schädlicher wäre.
Yurtsever und Wilkinson liefern einige Zahlen, um dies in einen Zusammenhang zu bringen. Für ein Raumschiff, das nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, hätte der Aufprall auf ein einzelnes kosmisches Staubkorn mit einer Masse von 10^-(14) Gramm eine Aufprallenergie von fast 10.000 Megajoule.
Der intergalaktische Raum ist relativ frei von Trümmern, aber dennoch würde jedes relativistische Raumschiff eine Möglichkeit benötigen, seinen Weg freizumachen.
Denkanstöße für potenzielle Kosmonauten.
Ref: arxiv.org/abs/1503.05845 : Grenzen und Signaturen der relativistischen Raumfahrt