Cette visualisation montre deux trous noirs fusionnés, dont la grande vitesse pourrait donner un coup de fouet à la lumière laser qui oscille autour d'eux.
(Image: © Goddard Space Flight Center de la NASA)
Les futurs vaisseaux spatiaux pourraient utiliser des trous noirs comme de puissantes rampes de lancement pour explorer les étoiles.
Une nouvelle étude envisage de tirer des faisceaux laser qui se courberaient autour d'un trou noir et reviendraient avec de l'énergie supplémentaire pour aider à propulser un vaisseau spatial à près de la vitesse de la lumière. Les astronomes pourraient rechercher des signes que les civilisations extraterrestres utilisent un tel "halo drive", comme l'étude le surnomme, en voyant si des paires de trous noirs fusionnent plus souvent que prévu.
L'auteur de l'étude, David Kipping, astrophysicien à l'Université Columbia de New York, a eu l'idée du halo à travers ce qu'il appelle «l'état d'esprit du joueur».
"Parfois, dans un jeu informatique, vous trouvez un" exploit ", un hack qui vous permet de faire quelque chose de maîtrisé qui serait autrement interdit par les règles du jeu", a déclaré Kipping à Space.com. "Dans ce cas, le jeu est le monde physique, et j'ai essayé de penser à des exploits qui permettraient à une civilisation de faire des allers-retours relativistes à travers la galaxie sans les énormes dépenses énergétiques que l'on pourrait naïvement assumer."
Un défi majeur à l’utilisation de fusées pour voler dans l’espace est que le propulseur qu'ils portent avec eux a une masse. Les longs trajets nécessitent beaucoup de propulseur, ce qui alourdit les roquettes, ce qui nécessite à son tour plus de propulseur, ce qui rend les roquettes encore plus lourdes, etc. Ce problème s'aggrave exponentiellement à mesure que la fusée grossit.
Au lieu de transporter du propulseur pour la propulsion, cependant, les engins spatiaux équipés de voiles de type miroir pourraient compter sur des lasers pour les pousser vers l'extérieur. Les 100 millions de dollars Initiative Starshot révolutionnaire, annoncé en 2016, prévoit d'utiliser des lasers puissants pour propulser des essaims de vaisseaux spatiaux vers Alpha Centauri, le système stellaire le plus proche du nôtre, jusqu'à 20% de la vitesse de la lumière.
Les vaisseaux spatiaux que Breakthrough Starshot vise à lancer ne sont chacun que de la taille d'une micropuce. Afin d'accélérer des vaisseaux spatiaux plus grands à des vitesses relativistes - à une fraction significative de la vitesse de la lumière - Kipping a cherché l'aide de la gravité.
Les engins spatiaux utilisent désormais régulièrement des «manœuvres de lance-pierres», dans lesquelles la gravité d'un corps, comme une planète ou une lune, projette les vaisseaux dans l'espace et augmente leur vitesse. En 1963, le célèbre physicien Freeman Dyson a suggéré que les vaisseaux spatiaux de toute taille donnée pourraient s'appuyer sur des manœuvres de fronde autour de paires compactes de naines blanches ou d'étoiles à neutrons pour voler à des vitesses relativistes. (Dyson a eu l'idée de ce qui est devenu connu sous le nom de Sphère Dyson, une mégastructure qui encapsule une étoile pour capturer autant d'énergie que possible pour alimenter une civilisation avancée.)
Cependant, une "fronde Dyson" risque d'endommager un vaisseau spatial par des forces gravitationnelles extrêmes et des radiations dangereuses de ces paires d'étoiles mortes. Au lieu de cela, Kipping suggère que la gravité pourrait aider les vaisseaux spatiaux en augmentant l'énergie des faisceaux laser tirés sur les bords des trous noirs.
Les trous noirs possèdent des champs gravitationnels si puissants que rien ne peut leur échapper une fois qu'il est assez proche, pas même la lumière. Leurs champs gravitationnels peuvent également déformer les trajectoires des photons de lumière qui ne tombent pas dans les trous.
En 1993, le physicien Mark Stuckey a suggéré qu'un trou noir pourrait, en principe, agir comme un "miroir gravitationnel", en ce sens que la gravité du trou noir pourrait lancer un photon autour de lui pour qu'il revienne à sa source. Kipping a calculé que si un trou noir se déplaçait vers la source d'un photon, le "photon boomerang" siphonnerait une partie de l'énergie du trou noir.
En utilisant ce qu'il a appelé un "halo drive" - nommé pour l'anneau de lumière qu'il créerait autour d'un trou noir - Kipping a découvert que même des vaisseaux spatiaux avec la masse de Jupiter pouvaient atteindre des vitesses relativistes. "Une civilisation pourrait exploiter les trous noirs comme points de cheminement galactiques", écrit-il dans une étude accepté par le Journal of the British Interplanetary Society et détaillé en ligne le 28 février sur le serveur de préimpression arXiv.
Plus un trou noir se déplace rapidement, plus un lecteur de halo pourrait en tirer de l'énergie. En tant que tel, Kipping s'est principalement concentré sur l'utilisation de paires de trous noirs en spirale l'un vers l'autre avant une fusion.
Les astronomes pourraient rechercher des signes que les civilisations extraterrestres exploitent des paires de trous noirs pour voyager avec un tel moteur. Par exemple, les lecteurs de halo voleraient efficacement l'énergie de tels systèmes de trous noirs binaires, augmentant les taux de fusion des paires de trous noirs au-dessus de ce que l'on s'attendrait à voir naturellement, a déclaré Kipping.
Ses découvertes étaient basées sur des boosts de paires de trous noirs en orbite autour de vitesses relativistes. Bien qu'il y ait environ 10 millions de paires de trous noirs dans la Voie lactée, Kipping a noté que peu de ceux-ci étaient probablement en orbite à des vitesses relativistes pendant longtemps, car ils fusionneraient assez rapidement.
Pourtant, il a noté que des trous noirs isolés et en rotation pouvaient également lancer des lecteurs de halo à des vitesses relativistes, "et nous connaissons déjà de nombreux exemples de trous noirs supermassifs en rotation relativistes".
L'inconvénient majeur d'un lecteur de halo serait que "l'on doit se rendre au trou noir le plus proche", a déclaré Kipping. "Cela revient à payer des frais de péage uniques pour emprunter le réseau routier. Vous devez payer un peu d'énergie pour atteindre le point d'accès le plus proche, mais après cela, vous pouvez rouler gratuitement aussi longtemps que vous le souhaitez."
L'entraînement halo ne fonctionne qu'à proximité d'un trou noir, à une distance d'environ cinq à 50 fois le diamètre du trou noir. "C'est pourquoi vous devez d'abord vous rendre au trou noir le plus proche et [pourquoi vous] ne pouvez pas simplement le faire à travers des années-lumière de l'espace", a déclaré Kipping. "Nous avons tout d'abord besoin d'un moyen pour voyager vers les étoiles voisines pour parcourir le réseau routier.
"Si nous voulons réaliser un vol relativiste, il faut d'immenses niveaux d'énergie, quel que soit le système de propulsion que vous utilisez", a-t-il ajouté. "Une façon de contourner cela est d'utiliser des objets astronomiques comme source d'énergie, car ils possèdent littéralement niveaux d'énergie astronomiques en eux. Dans ce cas, le binaire du trou noir est essentiellement une batterie géante qui nous attend pour l'exploiter. L'idée est de travailler avec la nature et non contre elle. "
Kipping étudie actuellement des moyens d'exploiter d'autres systèmes astronomiques pour le vol relativiste. De telles techniques "ne sont peut-être pas aussi efficaces ou rapides que l'approche par halo-drive, mais ces systèmes possèdent les réserves d'énergie nécessaires à ces déplacements", a expliqué Kipping.
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