Freeman Dyson :Βαρυτικές μηχανές και άλλες «προφητείες»

Ως βαρυτική μηχανή ορίζεται μια κατάλληλη διάταξη μαζών της οποίας η βαρυτική δυναμική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ωφέλιμο έργο. Θα μπορουσε να πει κανείς ότι οι νερόμυλοι, τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια ή το φιλόδοξο υποβοηθητικό σύστημα Gravitricity είναι βαρυτικές μηχανές αφού μετατρέπουν την βαρυτική δυναμική ενέργεια του νερού σε ωφέλιμη ενέργεια. Για έναν πολιτισμό τύπου 0,7 όπως ο δικός μας το ενεργειακό κέρδος από αυτές τις «βαρυτικές μηχανές» μπορεί να είναι ικανοποιητικό, όχι όμως για ένα προηγμένο πολιτισμό τύπου 3, ο οποίος έχει αποικίσει τον γαλαξία του και μπορεί να ελέγχει την ενέργεια σε γαλαξιακό επίπεδο. Κι έναν τέτοιο πολιτισμό είχε στο μυαλό του όταν περιέγραφε την βαρυτική μηχανή του ο Freeman J. Dyson σε ένα παλιό άρθρο του(*) με τίτλο «Gravitational Machines» – μια μηχανή που συνίσταται από μάζες αστρονομικού μεγέθους όπως και το ποσό της ενέργειας που αντλείται από αυτή.

Ο Freeman Dyson το 2007

Σύμφωνα με το άρθρο του Dyson, η δυσκολία στην κατασκευή μηχανών για την αξιοποίηση της ενέργειας του βαρυτικού πεδίου είναι στην ουσία δυσκολία κλίμακας. Οι βαρυτικές δυνάμεις μεταξύ αντικειμένων στο μέγεθος που μπορούμε να χειριστούμε είναι τόσο ασθενείς που δύσκολα μπορούν να μετρηθούν, πόσο μάλλον να τις εκμεταλλευτούμε. Για να έχει ουσιαστική απόδοση μια βαρυτική μηχανή πρέπει να κατασκευαστεί σε μια κλίμακα που είναι στην κυριολεξία αστρονομική. Ο Dyson υποστηρίζει ότι αξίζει να αφιερώσουμε λίγο χρόνο στις βαρυτικές μηχανές για δύο λόγους: Πρώτον, αν η ανθρωπότητα επιβιώσει αναπτύσσοντας την τεχνολογία της με έναν εκθετικό ρυθμό, μπορεί κάποια στιγμή στο μακρινό μέλλον η μηχανική σε αστρονομική κλίμακα να γίνει και εφικτή και απαραίτητη. Δεύτερον, δεδομένου ότι ήδη ψάχνουμε στο διάστημα σημάδια από τεχνολογικά προηγμένους εξωγήινους πολιτισμούς, είναι χρήσιμο να εξετάσουμε τι είδους παρατηρήσιμα φαινόμενα μπορεί να παράγει μια πραγματικά προηγμένη τεχνολογία.

Ένα απλό παράδειγμα βαρυτικής μηχανής Dyson, που εκμεταλεύεται την βαρυτική ενέργεια ενός δυαδικού άστρου

Η απλή διάταξη του παραπάνω σχήματος απεικονίζει την αρχή που θα έκανε δυνατή μια αποδοτική βαρυτική μηχανή. Οι δύο συνιστώσες Α και Β, ενός διπλού άστρου, η κάθε μία με μάζα Μ, περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη σε μια κυκλική τροχιά ακτίνας R. Εύκολα μπορεί να αποδειχθεί ότι η ταχύτητα των άστρων είναι: (1), όπου η βαρυτική σταθερά.

Βαρυτική ώθηση

Οι δημιουργοί της διάταξης ζουν σε έναν πλανήτη ή διαστημικό σκάφος P που κάνει κύκλους γύρω από το διπλό άστρο σε απόσταση πολύ μεγαλύτερη από το R. Αυτοί ωθούν μια μικρή μάζα C σε μια τροχιά που πέφτει προς το διπλό αστέρι, ξεκινώντας από το P με μικρή ταχύτητα. Η τροχιά του C καθορίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να πλησιάζει πολύ κοντά το άστρο B, καθώς το Β κινείται σε κατεύθυνση αντίθετη από την κατεύθυνση άφιξης του C. Η μάζα C στη συνέχεια διέρχεται πολύ κοντά στο B και διαφεύγει με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Το φαινόμενο μοιάζει με την ελαστική κρούση μιας μικρής μάζας (C) με μια πολύ μεγαλύτερη (B) κινούμενη μάζα, όπως στο σχήμα που ακολουθεί.

Ένα φαινόμενο ανάλογο με την «βαρυτική ώθηση ή υποβοήθηση» (διαβάστε σχετικά εδώ: gravity assist)

Η μάζα C θα φτάσει σε ένα μακρινό σημείο Q με διπλάσια ταχύτητα (2υ). Στο σημείο Q η μάζα C μπορεί να αναχαιτιστεί και η κινητική της ενέργεια να μετατραπεί σε κάποια χρήσιμη μορφή ενέργειας. Εναλλακτικά, η διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα πρόωσης, οπότε η μάζα C προχωρά απλώς με ταχύτητα 2υ προς τον προορισμό της.

Είναι εύκολο να φανταστεί κανείς αυτή την διάταξη να μετατρέπεται σε μηχανή συνεχούς λειτουργίας με πολλές μάζες C να ξεκινούν από σημεία εκκίνησης P και και να καταλήγουν σε τερματικά σημεία Q γύρω από το διπλό άστρο, με τις μάζες C να διεισδύουν στο διπλό σύστημα και στη συνέχεια να αναδύονται προς τα έξω με διπλάσια ταχύτητα σε μια συνεχή ροή. Η επιπλέον κινητική ενέργεια που αποκομίζυν οι μάζες προέρχεται από την βαρυτική δυναμική ενέργεια του συστήματος των δυο άστρων Α και Β. Καθώς η μηχανή θα συνεχίζει να λειτουργεί, τα άστρα Α και Β σταδιακά θα πλησιάζουν μεταξύ τους και η τροχιακή τους ταχύτητα θα αυξάνεται. Η μηχανή θα συνεχίσει να εξάγει (βαρυτική) ενέργεια έως ότου τα δυο άστρα να έρθουν πολύ κοντά μεταξύ τους. Σε μια πρόχειρη εκτίμηση του Dyson υποθέτει ότι η μηχανή μπορεί να λειτουργήσει έως ότου η απόσταση μεταξύ των κέντρων των δύο άστρων είναι ίση με 4α, όπου α είναι η ακτίνα κάθε άστρου. Η συνολική ενέργεια που εξάγει η μηχανή από το βαρυτικό πεδίο είναι τότε: (2). Αν τα Α και Β είναι άστρα όπως ο ήλιος μας, τότε η ακτίνα α είναι της τάξης των 109 m. Και η ενέργεια Ε είναι τότε ίση με τη φωτεινή ενέργεια που ακτινοβολούν τα άστρα σε μερικά εκατομμύρια χρόνια.

Βαρυτική μηχανή με λευκούς νάνους

Υπό αυτές τις συνθήκες η διαθέσιμη βαρυτική ενέργεια μπορεί να αξιοποιηθεί, αλλά είναι ήσσονος σημασίας σε σύγκριση με τη φωτεινή ενέργεια που ακτινοβολούν τα άστρα του συστήματος. Ένα τεχνικά προηγμένο είδος θα καταβάλει πιθανώς τις κύριες προσπάθειές του για να αξιοποιήσει τη φωτεινή ενέργεια. Όμως, όπως επισημαίνει ο Dyson, αν τα άστρα Α και Β είναι λευκοί νάνοι, η κατάσταση είναι εντελώς αντίστροφη. Σ’ αυτή την περίπτωση η φωτεινότητα είναι χίλιες φορές μικρότερη από αυτή του ήλιου, ενώ η διαθέσιμη βαρυτική η ενέργεια αυξάνεται κατά εκατό. Επομένως, είναι λογικό να αναμένουμε ότι γύρω από ένα δυαδικό σύστημα λευκών νάνων θα μπορούσε να ανθίσει μια τεχνολογία που θα αντλεί βαρυτική ενέργεια με τον τρόπο που περιγράφηκε.

Υποθέτοντας ότι M=1 ηλιακή μάζα=2×1030 kg, α = 107m, R=2α=2×107m, ο Dyson υπολογίζει τις τιμές: υ=1,3×106m/sec, E=3×1042 joules και βρίσκει την περίοδο του δυαδικού άστρου ίση με Τ=100 sec.

Υποθέτει ότι ένα εξαιρετικά ανεπτυγμένο τεχνολογικό είδος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τα δυαδικά συστήματα λευκών νάνων του γαλαξία του ως μηχανισμούς προώθησης για την μεταφορά βαρέων αντικειμένων σε μεγάλες αποστάσεις. Μια σημαντική παρενέργεια ενός δυαδικού συστημάτων λευκών νάνων θα ήταν η τεράστια εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας.

Βαρυτική ακτινοβολία

Ο Dyson χρησιμοποίησε την τότε καθιερωμένη θεωρία της βαρυτικής ακτινοβολίας, η οποία στην αρχή της δεκαετίας 1960 δεν ήταν ευρέως αποδεκτή, για να υπολογίσει ότι ένα ζεύγος άστρων ίσης μάζας που κινούνται σε κυκλική τροχιά εκπέμπει βαρυτική ενέργεια με ρυθμό: (3), όπου c η ταχύτητα του φωτός. Και επισημαίνει πως θα ήταν εξαιρετικά σημαντικό αν μπορούσαμε να παρατηρήσουμε αυτή την ακτινοβολία, τόσο για να επαληθεύσουμε την εγκυρότητα του θεωρητικού τύπου όσο και για να ανιχνεύσουμε την ύπαρξη δυαδικών λευκών νάνων.

Εισάγοντας την τιμή της ταχύτητας που υπολογίστηκε παραπάνω, βρίσκουμε W=2×1030 joules/sec, που είναι 5000 φορές η οπτική φωτεινότητα του ήλιου. Συγκρίνοντας την τιμή αυτή με την ενέργεια του συστήματος E=3×1042 joules, βλέπουμε ότι η ίδια η βαρυτική ακτινοβολία θα περιορίσει την διάρκεια ζωής του δυαδικού συστήματος λευκών νάνων σε περίπου 40.000 χρόνια. Ωστόσο, δεδομένου ότι η εξάρτηση του W από την ταχύτητα υ είναι τόσο ακραία, ένα δυαδικό σύστημα με υ=5×105 m/sec θα μπορούσε να ζήσει για πολλά εκατομμύρια χρόνια.

Ένα τεχνολογικά προηγμένο είδος μπορεί στη συνέχεια να επιλέξει την τιμή της ταχύτητας υ για να ταιριάζει στους συγκεκριμένους σκοπούς του. Υποθέτοντας την τιμή W=2×1030 joules/sec για την ένταση μιας πηγής βαρυτικών κυμάτων σε απόσταση 100 parsec, βρίσκουμε ότι το σήμα που θα ανιχνευθεί στη Γη έχει ένταση I=2×10−5 joules/m2.sec.

Ο Φρίμαν Ντάισον, προβλεπει ότι στο μέλλον είναι πολύ πιθανό να κατασκευαστεί ένας ανιχνευτής που θα ήταν ευαίσθητος στη ροή βαρυτικών κυμάτων από δυαδικό σύστημα λευκών νάνων με περίοδο της τάξης των 100 δευτερολέπτων μέσα σε έναν όγκο διαστήματος που περιέχει πάνω από μισό εκατομμύριο άστρα.

Βαρυτική μηχανή με άστρα νετρονίων

Και συνεχίζει: σύμφωνα με την αστροφυσική θεωρία, ένας λευκός νάνος δεν είναι ο πιο συμπυκνωμένος τύπος άστρου που είναι δυνατόν να υπάρχει. Μια ακόμη πιο συμπυκνωμένη μορφή ύλης θα μπορούσε να υπάρχει ως «άστρα νετρονίων», τα οποία θα είχαν μάζες της ίδιας τάξης με τον ήλιο συμπιεσμένες σε ακτίνες της τάξης των 10 km. Δεν είναι σίγορο ότι υπάρχουν πραγματικά άστρα νετρονίων… Αν ποτέ σχηματιστεί ένα δυαδικό σύστημα από ζεύγος άστρων νετρονίων, οι συνέπειες θα ήταν πράγματι πολύ ενδιαφέρουσες. Σκεφτείτε για παράδειγμα ένα ζεύγος άστρων με μάζα όσο η μάζα του ήλιου, που το καθένα έχει ακτίνα α=104m και με τα κέντρα τους να απέχουν απόσταση 2R= 4α. Σύμφωνα με την εξίσωση (1), κάθε άστρο θα κινείται με ταχύτητα υ=4×107 m/sec σε τροχιά με περίοδο 5 χιλιοστών του δευτερολέπτου, ενώ σύμφωνα με την εξ. (3) θα εκπέμπεται βαρυτική ακτινοβολία ισχύος W =2×1045 joules/sec. Όμως, από την εξ. (3) προκύπτει ότι η βαρυτική ενέργεια του ζεύγους εκείνη τη στιγμή θα είναι E=3×1045 joules.

Έτσι, ολόκληρη η βαρυτική ενέργεια ακτινοβολείται με έναν ισχυρότατο παλμό ακτινοβολίας που διαρκεί λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα. Ένα δυαδικό σύστημα άστρων νετρονίων που ξεκινάει από μεγαλύτερη αρχική απόσταση R θα έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, αλλά το φινάλε θα είναι το ίδιο. Η απώλεια ενέργειας από τη βαρυτική ακτινοβολία θα φέρει τα δύο άστρα πιο κοντά με ολοένα αυξανόμενη ταχύτητα, έως ότου στο τελευταίο δευτερόλεπτο της ζωής τους να συγκρουστούν μεταξύ τους και να απελευθερώσουν μια «βαρυτική λάμψη» σε συχνότητα περίπου 200 κύκλων και ασύλληπτης έντασης.

Σύμφωνα με τον Dyson, ένας παλμός βαρυτικής ακτινοβολίας με ενέργεια E=3×1045 joules σε συχνότητα περίπου 200 κύκλων θα πρέπει να είναι ανιχνεύσιμος σε απόσταση της τάξης των 100 Mpsec. Έτσι, η κραυγή θανάτου ενός δυαδικού άστρου νετρονίων θα μπορούσε να ανιχνευθεί στη Γη, αν συνέβαινε μία φορά ανά 10 εκατομμύρια γαλαξίες. Για τον Dyson, είναι σαφές ότι η τεράστια απώλεια ενέργειας από τη βαρυτική ακτινοβολία αποτελεί εμπόδιο στην αποτελεσματική χρήση των άστρων νετρονίων ως βαρυτικών μηχανών. Μπορεί αυτό να θέτει ένα φυσικό όριο περίπου 106 m/sec στις ταχύτητες που μπορούν να χειριστούν εύκολα σε μια βαρυτική τεχνολογία. Ωστόσο, θα ήταν περίεργο εάν ένα τεχνολογικά προηγμένο είδος δεν μπορούσε να βρει τρόπο να σχεδιάσει μια μη ακτινοβολούμενη βαρυτική μηχανή, κι έτσι να εκμεταλλευτεί τις πολύ υψηλότερες ταχύτητες που κατ’ αρχήν καθιστούν εφικτές τα άστρα νετρονίων.

O Dyson κλείνει το άρθρο του ως εξής: Συμπερασματικά, μπορεί να ειπωθεί ότι η δυναμική των αστρικών συστημάτων, υπό συνθήκες όπου η βαρυτική ακτινοβολία είναι σημαντική, είναι ένα πολύ παραμελημένο πεδίο μελέτης. Σε κάθε αναζήτηση στοιχείων για τεχνολογικά προηγμένες κοινωνίες στο σύμπαν, θα πρέπει να συμπεριληφθεί μια έρευνα για ανώμαλα έντονες πηγές βαρυτικής ακτινοβολίας.

Οι προβλέψεις του Ντάισον

Αν και στο άρθρο αυτό ο Φρίμαν Ντάισον εξετάζει τις βαρυτικές μηχανές και τα όρια παραγωγής ενέργειας με αυτές από έναν προηγμένο εξωγήινο πολιτισμό βλέπουμε ότι παράλληλα χρησιμοποιεί τις γνώσεις του σχετικά με την ακτινοβολία βαρυτικών κυμάτων από δυαδικά συστήματα. Κάνει όμως και την πρώτη δημοσιευμένη εικασία σχετικά με την ύπαρξη δυαδικών συστημάτων από άστρα νετρονίων, πέντε χρόνια πριν από την ανακάλυψη των πάλσαρ! Υπολογίζει επίσης την ισχύ του βαρυτικού κύματος που εκπέμπουν τέτοια δυαδικά συστήματα, χαρακτηρίζοντάς τα ως παρατηρήσιμες πηγές βαρυτικών κυμάτων, ακόμη και σε διαγαλαξιακές αποστάσεις. Δεν πίστευε ότι τέτοια δυαδικά συστήματα θα μπορούσαν να σχηματιστούν με φυσικό τρόπο, και γι αυτό υπέθεσε ότι θα μπορούσαν να είναι το υποπροϊόν της παραγωγής ενέργειας από προηγμένους πολιτισμούς και υποστήριξε ότι η ανίχνευση ενός τέτοιου γεγονότος συγχώνευσης θα αποτελούσε ένδειξη για την ύπαρξη εξωγήινης τεχνολογίας. Στην ουσία όμως είχε προαναγγείλει την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων εξαιτίας της συγχώνευσης δυαδικού συστήματος άστρων νετρονίων, πριν από 55 χρόνια. Πέρα όμως από τις «προφητείες», σύμφωνα με τον Jason T. Wright (Physics Today, 72, 5, 12, 2019), το άρθρο του Dyson αξίζει γιατί είναι υπόδειγμα σαφήνειας, απλότητας και συντομίας που χαίρεσαι να το διαβάζεις.

(*) Το άρθρο του Freeman J. Dyson με τίτλο «Gravitational Machines» γράφτηκε το 1962 για τον διαγωνισμό βραβείων του Gravity Research Foundation και πήρε την τέταρτη θέση. To άρθρo αυτό (επανα)δημοσιεύθηκε στον ιστότοπο arxiv.org πριν από μερικές ημέρες.

Πηγή :https://physicsgg.me/