Ciência a Laser-Swarm no Sistema Proxima Centauri

A ilustração deste artista mostra um enxame de picóespaços de vela de luz que se aproxima da vizinha Proxima Centauri. O exoplaneta Proxima Centauri b está em primeiro plano. Cada membro do enxame carregaria uma câmera, e coletivamente, o enxame agiria como uma espécie de interferômetro para criar imagens de resolução gigapixel do exoplaneta. 2026. Do trabalho de Mark Garlick. A propulsão a laser é uma ideia que não desaparece. Ao mirar poderosos lasers baseados na Terra em pequenas naves espaciais com velas leves, pequenas naves espaciais podem ser aceleradas para velocidades quase relativísticas sem transportar combustível ou uma fonte de energia, e sem transportar qualquer tipo de sistema de propulsão. Há vantagens claras para esta ideia, se ela puder ser implementada. Duas naves espaciais implementaram parcialmente a ideia. A sonda IKAROS da JAXA e a vela Lightsail-2 da Sociedade Planetária usavam velas, mas eram alimentadas por fótons do Sol, não por um laser. Eles mostraram que o conceito pode funcionar, pelo menos em parte. O programa Breakthrough Starshot, agora extinto, tinha como objetivo construir uma frota de 1.000 espaçonaves em miniatura com velas fotônicas e enviá-las em uma viagem de 20 anos para Alpha Centauri, o sistema estelar mais próximo de nós. A frota de nanonave, cada uma com uma pequena câmera, teria sido alimentada por lasers baseados na Terra e teria realizado um flyby de Proxima Centauri, dando à humanidade seu primeiro close-up olhar para outra estrela, e nos dois exoplanetas confirmados que orbitam. Enquanto Breakthrough Starshot parece ter sucumbido aos seus próprios problemas de financiamento privado relacionados, a idéia global tem suportado. A proposta de enviar um enxame de naves espaciais laser para verificar o nosso vizinho mais próximo está a apanhar ar fresco num novo jornal. É intitulado "Science from the In Situ Exploration of the Proxima Centauri System", e está disponível no servidor de pré-impressão arxiv.org. O autor principal é T. Marshall Eubanks, cientista-chefe da Space Initiatives Inc. (Veja a entrevista de Fraser Cain com Eubanks no final deste artigo.) "Na futura exploração interestelar em velocidades quase relativísticas será possível usar propulsão laser de energia de feixe", escrevem os autores. "Com isto, a nave espacial tão pequena quanto a nave espacial de massa GM tornam-se candidatos à exploração do espaço profundo, com um espaço comercial de velocidade e duração da missão versus massa." Há um acordo reconhecido entre as missões espaciais únicas tradicionais carregadas de tecnologia e a pequena nave espacial. Uma única nave espacial minúscula seria extremamente limitada em termos de resultados científicos. Mas, como enxame, algumas dessas limitações podem ser superadas. Esta idéia veria enxames de picaspacecraft, chamados Coracles, executar flybys rápidos do sistema Proxima Centauri. Equipado com um único instrumento cada um, uma pequena câmera digital, "um enxame de picospacecraft poderia fornecer resolução gigapixel dos exoplanetas-alvo", escrevem os autores. "Nossa missão é o planeta Proxima b na zona habitável (HZ) da anã vermelha Proxima Centauri, o componente terciário (e mais próximo) do sistema estelar mais próximo, Alpha Centauri." Esta ilustração mostra um Coral que se aproxima de Proxima b (e reflete a luz de Proxima Centauri). A camada lateral permite que cada membro do enxame se comunique com os outros. Cada anel redondo no lado da câmera da sonda é "a abertura anular de 200 mm de uma câmera óptica dobrada", segundo os autores. O lado fora de vista é a vela solar. 2026. Arte conceitual de Mark Garlick. Embora a missão fosse intrigante por muitas razões, incluindo provar uma tecnologia de longa duração, a questão natural que ocorre diz respeito aos resultados científicos. Qual seria o retorno da ciência? Em primeiro lugar, as limitações tecnológicas colocam restrições no tipo de observações que o enxame pode realizar, e a quantidade de dados que pode retornar. A navegação é um problema. Como não há "mãe" no enxame para levar os membros ao seu destino, a missão teria de contar com algo como navegação pulsar para atingir o seu alvo. É provável que nem toda a espaçonave atinja o alvo, ou esteja perto o suficiente para ser eficaz. Os autores apontam algumas soluções para esse problema. Um é enviar a pequena nave espacial como uma série de sondas individuais. Neste cenário, as sondas não precisam ser enviadas como enxame e não precisam ser agrupadas coerentemente. "Isso relaxa as restrições quando as sondas são enviadas, mas limitará muito qualquer estudo multi-sonda, e pode resultar na transmissão de menos dados, e também de dados redundantes de volta à Terra", escrevem os autores. Outro é enviar o enxame como um enxame de tempo coerente. Os membros teriam de ser organizados para saberem onde estão e onde está a Terra. Então, quando os dados são transmitidos de volta à Terra, ele chega como uma "parede de luz" coerente. Isto requer sincronização inter-prone e cronometragem requintado que é um problema complexo para resolver, mantendo o tamanho da sonda pequeno. Uma terceira solução é um "Sparse Phased Array", mas os autores não gastam muito tempo nele devido à sua complexidade. "Nós não consideramos essa última abordagem de array faseada esparsa ainda mais neste artigo devido à extrema dificuldade de coordenação de fases através do enxame", escrevem. * A ilustração deste artista mostra Proxima Centauri b como uma super-Terra rochosa, que é apenas um de seus possíveis tipos de acordo com nossos dados limitados. Ele orbita Proxima Centauri, que também é mostrado. À direita de Proxima Centauri está o sistema estelar binário Alpha Centauri. Kornmesser - CC BY 4.0, A ideia do enxame tem algumas vantagens claras, e uma delas é a redundância. Nem todos os membros precisam atingir o alvo para que a missão seja cumprida. Isso dá à missão alguma margem para alcançar seus resultados científicos. Apenas um pequeno subconjunto das sondas precisa aproximar-se de perto dos alvos. "O voo próximo de Proxima b durará menos de um minuto, com a maior resolução de imagem virá do pequeno subconjunto de sondas que passam mais perto de alvos de interesse", explicam os autores. Uma vez que as sondas bem-sucedidas capturaram seus dados, ainda há outro obstáculo para limpar. "Além disso, com gravações HDR adquirindo até um milhão de imagens por segundo por abertura, haverá terabytes de dados adquiridos pelo enxame durante o voo", escrevem os pesquisadores. Baixar todos esses dados é simplesmente impossível. Mesmo que o enxame tenha passado anos baixando seus dados, ainda há ordens de magnitude mais dados do que podem ser devolvidos. O enxame precisará de alguma forma de selecionar quais dados são importantes para retornar à Terra, tudo isso sem a ajuda do pessoal de missão ligado à Terra que está a mais de quatro anos-luz de distância. Uma proposta é chamada de observações "olho à frente". Os membros do enxame capturavam imagens quando se aproximava do alvo primário, e a IA tomava decisões sobre quais sujeitos, asteroides ou exomoons, por exemplo, deveriam ser priorizados para observações e dados de retorno. Um sistema como este é necessário porque, ao contrário de muitas outras missões, haverá uma única passagem e nenhuma órbita repetida. Este esquema ilustra a OESF Loop que o enxame pode implementar para gerenciar dados e selecioná-los para transmissão para a Terra. 2026. Com esses pontos fortes e obstáculos em mente, os autores afirmam que múltiplos objetivos científicos poderiam ser alcançados. O enxame poderia capturar vídeos de aproximação da estrela de horas antes de sua aproximação mais próxima, e mapear sua chama. Ele também pode capturar vídeos de aproximação de Proxima Centauri b dias antes de seu flyby e detectar qualquer exomoons. Esses vídeos de abordagem também podem servir como dados do Lookahead para selecionar alvos para mais observações. Os autores apontam que o enxame poderia revolucionar nosso entendimento sobre Proxima Centauri b, mesmo que apenas alguns dos membros do enxame se aproximassem dele. "Um enxame com algumas centenas de membros sobreviventes e uma extensão total de 105 km deve ter alguns membros passando dentro de 104 km do planeta alvo (aproximadamente seu diâmetro), proporcionando uma resolução potencial de 20 metros Proxima b", explicam. O enxame também pode imaginar o lado noturno do planeta fechado. Além da imagem, o enxame também poderia realizar espectroscopia de transmissão da atmosfera de Proxima Centauri b. "A espectroscopia de transmissão pode ser feita em Proxima b usando fontes naturais e artificiais, e irá, através da busca por linhas espectrais de biomarcadores e tecnoassinaturas, provavelmente fornecer o melhor meio de estabelecer a existência de uma biologia ou até mesmo uma sociedade tecnológica em Proxima b", escrevem os pesquisadores. O enxame também podia observar o frequente fogo de Proxima Centauri para aprender mais sobre ele e outros anões-M. Estas estrelas são propensas a flares que podem remover atmosferas planetárias e truncar habitabilidade. Um olhar mais atento seria uma bênção enorme para os astrofísicos. Há também o potencial para espectroscopia de impacto. "A distância entre as sondas no centro da frota poderia ser tão pequena quanto alguns milhares de quilômetros, e é possível que uma ou mais sondas de Coracle entrassem na atmosfera de Proxima-b, se existisse, ou impactassem a superfície, se não existisse", escrevem os autores. O enxame poderia monitorar os flashes dos impactos para saber mais sobre a composição do exoplaneta. Há também o potencial para mais ciência à medida que o enxame vai além de Proxima Centauri. "Um ano após o encontro com Proxima, o enxame terá um encontro distante com o sistema α Cen AB, com uma aproximação mais próxima de .10.000 au.", escrevem os autores. Outras estrelas estão tão longe que será preciso iniciativa ousada para chegar até elas. Enquanto outras tecnologias avançadas de propulsão estão sempre a ser ponderadas, nunca sabemos quando irão dar frutos. É por isso que a ideia da vela laser nunca desaparece. "As sondas interestelares em escala de gravidade empurradas pela luz laser são provavelmente a única tecnologia capaz de alcançar outra estrela neste século", escrevem os autores em sua conclusão. "Uma missão de enxame quase relativística poderia fornecer um forte levantamento inicial de Proxima b como um exoplaneta e deve ser capaz de detectar bioassinaturas e tecnoassinaturas Proxima b, caso estas estejam presentes." Evan Gough Evan Gough é um cara que ama ciências sem educação formal que ama a Terra, florestas, caminhadas e música pesada. Ele é guiado pela citação de Carl Sagan: "Compreender é uma espécie de êxtase."