Универсальный эволюционизм и перспективы освоения космоса

В краткосрочной перспективе, «Катализ» является исключительно альтруистическим проектом, основанный на добровольном участии научных, производственных и коммерческих организаций и всех заинтересованных сторон. Горизонт планирования проекта значительно превышает продолжительность жизни индивидуума и вида.

Проект не принесет политических, экономических или научных результатов в ближайшем будущем, и потому не могут быть реализован национальными космическими агентствами в рамках государственных бюджетов.

Проект также не будет давать коммерческие результаты в ближайшем будущем, и вряд ли может быть реализован частными космическими компаниями (за исключением рекламных целей). Однако отдельные технологии – производство высокоресурсных металлических пленок, стойких и эффективных биокатализаторов, средств записи информации с высокой плотностью на пленочный носитель для длительного хранения – могут быть широко коммерциализированы.

С точки зрения потенциальных инвесторов или спонсоров, проект, конечно, является в основном альтруистическим, потому что за жизнь следующих поколений не предполагает какой-либо отдачи от инвестиций, в дополнение к рекламе и передаче технологии. Но в долгосрочной перспективе ситуация меняется.

В случае длительного устойчивого существования цивилизации, на одной из отдаленных стадий ее развития становится критически важным количество доступных в ближайшем космосе в Галактике автономных цивилизаций в качестве независимых источников информации, в основном «экзогуманитарного» характера [7]. На это будут непосредственно влиять результаты проекта «Катализ». Рассмотрим этот вопрос в следующем разделе (см. часть 3 настоящей статьи).

Источники информации к части 2:

1. Solar sail starships: the clipper ships of the Galaxy. Gregory L. Matloff, Eugene Mallove. Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 34, pp. 371-380, 1981.

2. Lubin, P. “A Roadmap to Interstellar Flight”. JBIS, Vol. 69, pp.40-72, 2016. https://arxiv.org/abs/1604.01356.

3. Jean-Francois Gonzalez, Guillaume Laibe, Sarah T. Maddison. Self-induced dust traps: overcoming planet formation barriers. https://arxiv.org/abs/1701.01115.

4. В.Г. Сурдин. Динамика межзвездного зонда. Бюлл. Спец. Астрофиз. Обсерв., 2007, 60-61, 254-259.

5. Роуз и Райт (Rose Ch., Wright G.), 2004, Nature, 431, 47.

6. Michael Gillon et al., “Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1”, Nature, Vol 542., pp. 456-460, February 23, 2017.

7. Д.А. Новосельцев. К вопросу возможной модификации двигателя Шкадова и ее перспективах для решения некоторых задач SETI. http://lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/articles/Shkadov.pdf.

8. Борис Е. Штерн. Ковчег 47 Либра. – М.: Троицкий вариант, 2016.

P.S. Тема конструкции и состава биокатализаторов «Сеятелей» особенно интересна с учетом результатов экспериментов по синтезу ряда предшественников ДНК – 2-дезоксирибозы и других дезоксисахаров – под действием ультрафиолетового излучения, имитирующего излучение звезды, в среде, напоминающей льды окраин протопланетного диска, на алюминиевой подложке, напоминающей поверхность солнечного паруса (Michel Nuevo, George Cooper & Scott A. Sandford. Deoxyribose and deoxysugar derivatives from photoprocessed astrophysical ice analogues and comparison to meteorites. Nature Communications, volume 9, Article number: 5276 (2018), https://www.nature.com/articles/s41467-018-07693-x, анонс: Sugar is Sweet, Essential to Life – and It's Probably in Deep Space. https://www.nasa.gov/feature/ames/sugar-is-sweet-essential-to-life-and-its-probably-in-deep-space). Согласно полученным данным, процесс завершился всего за 17-19 часов облучения. Эти результаты значительно повышают оценку вероятности успешного осуществления проекта.

Тема конструкции «Хранителей» и их последующей идентификации приобретает дополнительный интерес в свете последних предложений по обнаружению предполагаемых техносигнатур зеркальных (mirror-like) поверхностей гипотетических искусственных объектов в Солнечной системе (Brian C. Lacki. A Shiny New Method for SETI: Specular Reflections from Interplanetary Artifacts. 14.03.2019. https://arxiv.org/pdf/1903.05839.pdf).

3. Двигатель Шкадова: «звездные машины» и архитектура галактик

Ранее [1] автором была предложена схема модифицированного солнечного паруса – электрического солнечного паруса (ЭСП, ESS) сочетающего преимущества классического фотонного солнечного паруса и «электрического паруса» П. Янхунена [2], использующего для создания тяги заряженные частицы солнечного ветра.

На ближайшую перспективу ЭСП предлагается как двигатель космических аппаратов для исследования удаленных областей Солнечной системы, включая малые тела пояса Койпера. Однако в отдаленной перспективе для задач колонизации космоса представляет несомненный интерес возможность его масштабирования до размеров, сопоставимых с размерами орбит внутренних планет Солнечной системы. Для такого двигателя в дальнейшем принято название «электрический двигатель Шкадова» (EST). Для решения задач SETI, носящих не только научный, но и мировоззренческий характер, представляют интерес признаки применения такого двигателя. Представленные в статье выводы по вопросам SETI, в силу специфики проблемы, носят в значительной степени спекулятивный характер, однако позволяют не только интерпретировать отсутствие позитивных результатов в ряде проектов SETI – например, [3] – но и уточнить признаки возможной деятельности космических цивилизаций (КЦ).

Схемное решение

Наиболее масштабным примером применения классического солнечного паруса является двигатель Шкадова (ST – Shkadov thruster или stellar thruster), относимый к звездным машинам класса А (предназначенным для непосредственного создания тяги) [4, 5, 6]. Классический ST представляет собой крупноразмерную (сопоставимую с размерами орбит внутренних планет) конструкцию, выполненную в виде солнечного паруса, световое давление на который уравновешено гравитационным притяжением звезды. Поскольку давление излучения звезды в результате приобретёт несимметричный характер, разница в давлении создаёт тягу, и звезда начинает ускоряться в направлении парящего над ней паруса. Такая тяга и ускорение будут крайне небольшими, но такая система может оставаться стабильной в течение тысячелетий. Планетная система звезды будет перемещаться вместе с самой звездой. По имеющимся данным для «фотонного» ST, для такой звезды, как Солнце, со светимостью 3,85х10²⁶ Вт и массой 1,99х10³⁰ кг, общая тяга, производимая отражением половины солнечного излучения, будет равна 1,28х10¹⁸ Н. За временной промежуток в 1 миллион лет это даст изменение скорости на 20 м/с и удаление от исходной позиции на 0,03 световых года. Через один миллиард лет скорость будет составлять 20 км/с, а удаление от исходной позиции – 34000 световых лет.

Очевидным решением для увеличения изменения скорости и сокращения времени перемещения звезды представляется форсирование ST по тяге за счет использования отражения от паруса не только светового излучения, но и положительно заряженных ионов солнечного ветра. Это достигается модификацией ST в EST – приданием парусу электрического заряда. В связи с тем, что предполагается работа EST в течение длительного времени, для этого целесообразно использование не бета-радиоактивных изотопов, предложенных автором для малых космических аппаратов [1], а размещенных на внешней стороне паруса электронных пушек, аналогично конструкции П. Янхунена [2]. Питание электронных пушек может осуществляться за счет утилизации тепла поглощаемого конструкцией паруса светового и теплового излучения – например, с помощью термоэлектрических преобразователей. В случае изготовления полотна паруса, в соответствии с [1], из чистых металлизированных наноструктурированных пленок толщиной порядка сотен нанометров, целесообразно интегрировать термоэлектрические преобразователи непосредственно в конструкцию полотна паруса в виде многослойного пакета нанопленок различного состава, чем может быть обеспечена их высокая живучесть. Не исключено также использование тонкопленочных солнечных батарей традиционной конструкции, при условии обеспечения их достаточного ресурса.

Подробное рассмотрение различных типов возможной конструкции паруса выходит за пределы задач настоящей статьи. В качестве возможного варианта может рассматриваться самосборка (и последующий саморемонт) полотна паруса из стыкующихся друг с другом, относительно небольших, идентичных самовоспроизводящихся автоматических космических аппаратов – роботов, с как минимум одной плоской отражающей (рабочей) поверхностью. Первичное производство таких роботов может осуществляться в плоскости эклиптики за счет утилизации вещества астероидов, с дальнейшим перелетом в область полюса звезды (с использованием интегрированного в конструкцию робота электрического солнечного паруса), а дальнейшее поддержание их численности для ремонта паруса – за счет утилизации неисправных, не подлежащих восстановлению роботов. Таким образом, полотно паруса EST формируется из множества небольших идентичных взаимозаменяемых ESS, что обеспечивает его высокую живучесть. В отличие от медленных космических аппаратов проекта «Катализ» (см. часть 2 настоящей статьи), для конструктивных элементов паруса двигателя Шкадова при их перелетах со стороны пояса астероидов к полюсу Солнца допустимо использование для ускорения концентрированного солнечного, лазерного или микроволнового излучения.

Парус располагается по оси планетной системы со стороны одного из полюсов звезды. Исключение негативного климатического влияния на обитаемую планету отраженного парусом светового и ионного излучения потребует, например, в случае Солнечной системы, расположения паруса внутри орбиты Земли (а в случае обнаружения хотя бы простейших форм жизни в верхних, относительно холодных слоях атмосферы Венеры, по упоминаемым далее «экзогуманитарным» соображениям – и внутри орбиты Венеры), в отличие от классических астроинженерных конструкций класса В типа сферы Дайсона (В последнее время снова рассматривается вопрос возможности существования на Венере различных экстремофильных форм жизни. Ксанфомалити Л. В., Зелёный Л. М., Пармон В. Н., Снытников В. Н. «Гипотетические признаки жизни на планете Венера: ревизия результатов телевизионных экспериментов 1975—1982 г.г.». УФН 189 403–432 (2019). https://ufn.ru/ru/articles/2019/4/f/. Проверка ряда подобных гипотез предполагается, в частности, в рамках планируемой миссии «Венера-Д»). В этом случае утилизация тепла, поглощаемого конструкцией паруса, становится реальной задачей. Таким образом, по существующей классификации EST является звездной машиной класса С, предназначенной не только для создания тяги, но и для частичной утилизации энергии звезды. Регулирование освещенности обитаемых планет при динамической конструкции паруса возможно за счет создания напротив них вращающихся с той же угловой скоростью окон – в простейшем случае, поворотом части элементов паруса «на ребро» (по принципу жалюзи). Кроме того, динамическая конструкция из отдельных элементов позволит создавать некоторую асимметрию паруса и корректировать направление вектора тяги. Как фотонная, так и ионная составляющие тяги паруса EST мало изменяются со временем (их изменение обусловлено только эволюцией звезды).

При всей масштабности задачи построения паруса, она представляется вполне решаемой. Поскольку предлагаемая конструкция паруса является динамической, а не жесткой, ее масса может быть значительно ниже, чем для традиционно рассматриваемых вариантов астроинженерных конструкций. Так, объем полусферического полотна паруса радиусом порядка 1/3 а.е. (5х10⁹ м) при толщине полотна 200 нм составит 3,14х10¹³ м³. При средней плотности материала полотна, равной площади железа (7800 кг/м³) его масса составит 2,448х10¹⁷ кг, что сопоставимо с массой таких астероидов, как Веста (2,67х10²⁰ кг) и Эрос (6,69x10¹⁵ кг). Таким образом, для изготовления паруса может быть вполне достаточно менее 100 небольших астероидов или одного крупного. «Экзогуманитарные» ограничения развитой КЦ на использование тел планетной системы для добычи конструкционных материалов (по [8]) могут быть обойдены, например, за счет приоритетной утилизации объектов, угрожающих потенциальным столкновением с густонаселенными планетами.

Важно, что при использовании EST звезда приобретает устойчивый широкий «хвост» из относительно медленных ионов солнечного ветра, отраженных парусом, характерного состава, соответствующего солнечному ветру данной звезды (например, для Солнца – по [7]) выделяющий ее из типичных звезд и отличающийся от характерных для ряда астрофизических процессов узких релятивистских джетов. Поиск таких «выхлопных струй» EST может представлять одну из самостоятельных задач SETI аналогично тому, как можно, не наблюдая непосредственно кратковременный полет реактивного самолета на большой высоте, в дальнейшем в течение достаточно длительного времени однозначно идентифицировать факт такого полета по сохраняющемуся инверсионному следу. При идентификации таких объектов необходимо учитывать эффекты взаимодействия ионного потока с магнитным полем гелиосферы, где поток может в значительной степени рассеяться и утратить первоначальное направление. Но в этом случае гелиосфера за счет ассиметричного потока ионов будет характерным образом деформирована, и по такому признаку также можно будет идентифицировать искусственно перемещаемые звезды. Следует отметить, что и традиционный фотонный ST также формирует асимметричный поток нейтрального межпланетного газа, механизм формирования которого аналогичен механизму возникновения хвостов комет.

Возможный вариант развития (ближайшая перспектива)

Данная часть статьи содержит достаточно спекулятивные рассуждения о возможном пути развития КЦ, достигших уровня 2 типа по шкале Кардашёва, в т.ч. способных реализовать конструкции типа EST.

Предполагается, что фундаментальные представления об ограничении скорости передачи информации скоростью света в вакууме остаются верными и для КЦ 2 типа. В этом заключается первая причина, по которой, по мнению автора, переход такой КЦ к 3 типу путем дальнейшей колонизации космоса невозможен. Как при систематических энергоемких «быстрых» межзвездных перелетах относительно небольших космических аппаратов, так и при медленных перемещениях по галактике базовой для КЦ звезды с одновременным использованием электромагнитных (радио-, оптических) каналов связи, невозможно сохранить единство и связность КЦ на межзвездных расстояниях.

Как один из вариантов дальнейшей эволюции организованной материи, предложена и достаточно убедительно обоснована модель «галактического культурного поля» как следующего за технологической цивилизацией уровня организации материи, несводимого к сумме отдельных КЦ, являющихся его организованными структурными элементами наподобие нейронов [8]. Одним из препятствий на пути формирования «галактического культурного поля», помимо вопросов идентификации КЦ потенциальных партнеров по его формированию традиционными методами SETI, видится сравнительная малость скорости света относительно межзвездных расстояний. Помимо уже упоминавшейся проблемы связности КЦ структуры галактического масштаба, большинство процессов, длительностью меньше геологических и космологических (например, историю Земли в переломный момент XX-XXI веков), «галактическое культурное поле» будет просто не способно зарегистрировать, не говоря о том, чтобы их отрефлексировать, т.к. они завершатся раньше, чем информация о них дойдет до ближайших его элементов.

Предлагается обозначить этот факт как первый (технологический) запрет на существование КЦ 3 типа. По этой причине, по мнению автора, возникновение КЦ, превышающих по возможностям 2 тип, но не достигающих 3 типа (предлагается обозначить их как тип 2+, соответствующий уровню использования энергии звездного скопления) возможно только в достаточно локальных масштабах, и не в результате экспансии одной КЦ 2 типа, а в результате конвергенции группы таких КЦ. Это потребует согласованного сближения их базовых звезд с использованием конструкций, подобных ST или EST – очевидно, второй вариант энергетически предпочтительней. Важно отметить, что данный процесс является самоорганизующимся, т.е. не требует наличия единого центра управления. Каждая КЦ 2 типа направляет свою базовую звезду к другой звезде, идентифицированной ей методами SETI как базовая для другой КЦ. В результате с течением времени образуется достаточно компактное обитаемое звездное скопление (с расстояниями между звездами порядка световых недель, возможно, световых дней), в котором как обмен информацией по электромагнитным каналам связи, так и перелеты космических аппаратов могут быть реализуемы за приемлемые для КЦ сроки, что позволит говорить о начале формирования из КЦ 2 типа единой системы – КЦ типа 2+. Для такого искусственного звездного скопления может быть характерно ионное «гало» в виде отдельных сегментов из отставших ионов «выхлопных струй» EST. На поздних этапах сближения звезд при их торможении и позиционировании относительно друг друга «выхлопные струи» EST будут направлены внутрь скопления, и ионное «гало» будет сплошным.

Можно предположить и другие признаки конструкции искусственного скопления в динамике в процессе завершения его строительства (когда звезды уже достаточно сблизились, но еще продолжают движение). Строящееся скопление должно включать стабильные звезды типа Солнца класса G и K, способные обеспечить длительное развитие жизни. Ближайшие к наблюдателю звезды, движущиеся от него, будут наблюдаться с небольшим красным смещением (соответствующим скорости в десятки км/с) и более яркими, чем по типичной зависимости «масса-светимость» (за счет отраженного от паруса светового излучения). При более детальном рассмотрении между ними можно будет заметить группу звезд, летящих к наблюдателю. Они будут видны как слабые инфракрасные источники (за счет излучения нагретого паруса с обратной стороны) с небольшим фиолетовым смещением.

На заключительном этапе строительства звезды будут значительно ближе друг к другу, и они будут осуществлять маневр торможения, развернув паруса в направлении движения (точнее, перемонтировав их со стороны другого полюса звезды). При этом ближайшие к наблюдателю звезды будут выглядеть для него инфракрасными источниками с красным смещением, а встречные – аномально яркими звездами с фиолетовым смещением.

В этом плане весьма интересны результаты, полученные в 2007 г. в рамках проекта GALEX (www.galex.caltech.edu). При наблюдении в ультрафиолетовом диапазоне звезды Мира ( Cet, омикрон Кита) были получены снимки газового следа, простирающегося за звездой на несколько световых лет, не наблюдаемого в оптическом диапазоне. Ряд впечатляющих изображений представлен на сайте проекта GALEX [16, 17 и др.]. Таким образом, в настоящее время уже имеются технические средства, позволяющие обнаруживать объекты, напоминающие реактивную струю EST.

Как известно, Мира является двойной звездой, состоящей из красного гиганта Мира А и белого карлика Мира B, и отличается относительно высокой скоростью движения относительно окружающего галактического облака (130 км/c). Ранее [18, 19, 20] при выборе потенциальных объектов для SETI, как правило, исключались из рассмотрения звезды с пространственными скоростями 50-65 км/с и более. Основанием для этого служило допущение Д. Содерблома [19], согласно которому они имеют низкое содержание металлов. Согласно данным Л.Н. Филипповой ([16]) у преобладающего большинства (93%) звезд с экзопланетами, представленных в каталоге «Extra-solar Planets Catalog» по состоянию на март 2002 года, лучевые скорости меньше 40 км/с.

Но в случае применения EST, напротив, ожидаема достаточно высокая скорость движения звезды в десятки км/с и более – что, собственно, и является целью создания подобного астроинженерного сооружения. Характерно, что при указанных выше значениях тяги, достижимых для ST и EST, для разгона солнцеподобной звезды до скорости более 100 км/с потребуется несколько миллиардов лет – период, достаточный для ее эволюции в красный гигант типа Мира А.