Navegando hasta Proxima Centauri b con ayuda estelar

• Título original:DECELERATION OF HIGH-VELOCITY INTERSTELLAR PHOTON SAILS INTO BOUND ORBITS AT α CENTAURI
• Autores: René Heller y Michael Hippke
• Institucion del primer autor: Max Planck Institute for Solar System Research, Göttingen, Germany
• Estado del trabajo: Aceptado para publicación en ApJL, Enero 5 de 2017.

[Crédito imagen destacada: representación artística de una vela solar en uso. Autor NASA (Dr. Paulett Liewer)]

El descubrimiento de Próxima Centauri b, un exoplaneta de masa similar a la de la tierra localizado en la zona de habitabilidad alrededor de la estrella más cercana al Sol, ha renovado el interés común de visitar a nuestra estrella vecina, Próxima Centauri. La sonda Voyager 2, lanzada en 1977 propulsada por cohetes convencionales, tardó 12 años en llegar a Neptuno y alrededor de 35 años en salir del sistema solar; viajando a una velocidad de 17 km s^-1. A esta velocidad, la sonda Voyager 2, tardaría 75,000 años en llegar a Próxima Centauri b.

Avances en el diseño de velas reflectantes ultraligeras y el desarrollo de componentes electrónicos ultracompactos, parecen ser los primeros pasos para lo que podría convertirse en velas solares de alta tecnología; capaces de llegar rápidamente hasta Próxima b. Hasta este momento, los modelos de viajes interestelares con velas solares se han enfocado en optimizar la aceleración y velocidad máxima que se podría alcanzar con estos dispositivos, llegando a velocidades comparables a la velocidad de la luz, c. Sin embargo, un objecto acercándose a Próxima b a 2% velocidad luz (0.2c), atravesaría el sistema entero en cuestión de minutos.

En este artículo, los autores sugieren formas de desacelerar una vela solar utilizando la asistencia foto-gravitacional de las estrellas que acompañan sistema de Próxima Centauri, Alpha Centauri A y B. Este método consiste en utilizar la presión de radiación generada por los fotones de las estrellas en Proxima Centauri y la atracción gravitacional de estas estrellas para maniobrar dentro del sistema hasta llegar al planeta.

Metodología

Figura 1. Geometría de una asistencia foto-gravitacional de una vela (línea azúl) viajando a una velocidad v⃗, a distancia r⃗ de una estrella. La flecha entre-cortada corresponde a la trayectoria de la vela y F⃗, la dirección de la fuerza total sobre la vela. Figura 1 del artículo.

El objetivo es determinar la trayectoria óptima de una vela solar viajando desde la tierra, llegando al sistema de Próxima Centauri y maniobrando hasta estar en órbita alrededor del planeta Próxima b. Esto requiere una configuración particular de las estrellas del sistema Próxima Centauri, la cual sucede una vez cada 79.91 años. La próxima alineación sucederá el 24 de Junio del 2035.

Considerando una vela solar acercándose a una estrella a una distancia r⃗ y velocidad v⃗, Figura 1, la vela va a sentir la atracción gravitacional de la estrella y a su vez una presión de radiación de los fotones emitidos por la estrella. Es posible optimizar la trayectoria de la vela modificando el parámetro de impacto e inclinación de la vela con respecto a la estrella. De esta forma, se logra maximizar la desaceleración. Por ejemplo, una vela con masa de 1 gramo, área de 10 m² pasando a 5 radios solares de AlphaCen A, sería capaz de desacalorar hasta los 1,200 km s^-1, justamente lo necesario para situarse en una órbita estable alrededor de la estrella.

Figura 2. sobre-vuelo en alphaCen A para una vela con una velocidad inicial de 1270 km s^-1. La línea cortada muestra una distancia de 5 radios solares. a) Las lineas de colores muestran trayectorias con diferentes parámetros de impacto. Las letras romanas muestran las trayectorias I a IV. b) Ejemplo de una de las trayectorias, indicando la inclinación de la vela, velocidad en cada punto de la trayectoria y fuerza sentida por la vela. El tiempo total que tarda la vela en cruzar este panel es de 48 horas. Figura 2 del artículo.

En el panel izquierdo de la Figura 2, se muestra una serie de posibles trayectorias para la vela. La misma puede tener hasta 4 destinos distintos, dependiendo del parámetro de impacto. I) Destrucción de la vela: en este caso, la vela está viajando directamente hacia la estrella y terminará colisionando con ella. II) Órbita circular: la vela llega con la velocidad y dirección necesarias para situarse en una órbita circular alrededor de la estrella. La ventaja de este caso es que la vela puede escapar del sistema en cualquier momento y en la dirección deseada. III) Órbita elíptica: la vela se sitúa en una órbita elíptica alrededor de la estrella y puede escapar en cualquier momento. IV) Asistencia foto-gravitacional: en el panel derecho de la Figura 2, se muestran los detalles de la posición, inclinación, velocidad y desaceleración de una vela que utiliza asistencia foto-gravitacional; con una velocidad incidente de 1,270 km s^-1.

Resultados

La trayectoria mas veloz para recibir una asistencia foto-gravitacional de AlphaCen A en dirección de AlphaCen B y finalmente Próxima b, depende directamente de la tasa de masa-por-área de la vela. Mientras menor se la masa para una misma área superficial, mayor será el intercambio de momento con los fotones. Esto resulta en un aumento de la desaceleración en la vela. Con la tecnología moderna, el material recomendable para esta vela sería el Grafeno (7.6 x 10^-4 gram m^-2). Para que una vela de Grafeno pueda llevar una carga de 10 gramos, el área de la vela debe ser de 10⁵ m² y la velocidad máxima de vuelo será de 13,800 km s^-1.

Uno de los puntos claves a tener en cuenta en viajes interestelares a altas velocidades, son las aceleraciones extremas en el momento de partida del sistema solar o llegada al destino. Para nuestra vela de Grafeno, la aceleración en el momento de partida puede llegar hasta 1,600 g, y durante la asistencia foto-gravitacional la vela puede sentir fuerzas de hasta 1,400 N.

Figura 3. Tiempos de vuelo para una vela desacelerando con el método de asistencia foto-gravitacional en AlphaCen A. a) Velocidad máxima de vuelo en función de la masa por unidad de área de la vela. La línea roja y negra muestran la distancia más cercana a la estrella, usada para desacelerar. b) Contornos de tiempo de vuelo para la distancia más cercana usada para desacelerar la vela en función de la masa por unidad de área de la vela. Figura 5 del artículo.

¿Qué otros materiales se podrían utilizar para construir esta vela solar? La Figura 3 muestra la velocidad máxima y el tiempo de vuelo para velas de diferentes materiales al Grafeno; como un ‘lattice’ de Aluminio o una hoja de oro. Al cambiar el material estaremos cambiando la masa por unidad de área de nuestra vela, por lo cual cambiará la aceleración y desaceleración de nuestra vela. Como hemos aprendido, sería posible desacelerar la vela con mayor efectividad si  la asistencia foto-gravitacional sucede más cerca de la estrella. Sin embargo, con esto surgen nuevos retos como el sobrecalentamiento de la vela o que esta sea impactada por partículas de alta energía cerca de la estrella.

En Conclusión

Los viajes interestelares están dejando de ser un elemento solamente de la ciencia ficción y podrían convertirse en una realidad, con unas cuantas limitaciones. En este artículo, hemos visto un método novedoso para desacelerar una vela solar, viajando desde la tierra hasta el sistema alpha Centauri. Una vela de Grafeno con un tamaño de 10⁵ m² y una carga de 10 gramos, podría alcanzar una velocidad máxima de 4.6% c, con lo cual el viaje tardaría 95 años desde la Tierra. Adicionalmente, este modelos presenta la posibilidad de establecer una órbita alrededor de el planeta Proxima b, trayectoria II, con lo cual nuestra vela podría simplemente cambiar de dirección y regresar a la tierra, sin necesidad de utilizar combustible.