Астрофизик Козимо Бамби из Фуданьского университета (Китай) предложил использовать крошечный зонд, получивший название «нанокрафт», для исследования законов физики в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле. Этот аппарат сможет достичь центра ближайшей черной дыры примерно за 60-75 лет, благодаря использованию наземной лазерной установки.
Общая теория относительности успешно подтверждается наблюдениями в пределах Солнечной системы и за ее границами: в 2015 году с использованием детекторов LIGO и VIRGO исследователи впервые уловили гравитационные волны от слияния черных дыр, а в 2019-м зарегистрировали сигнал, исходящий от новорожденного космического «монстра». Наблюдения в рентгеновском диапазоне и снимки горизонта событий подтверждают теорию Эйнштейна, однако на точность данных влияют космическая среда и неизбежные упрощения в расчетах. Расставить все точки над i можно, лишь напрямую приблизившись к черной дыре.
Ближайший из найденных объектов, GAIA-BH1, находится примерно в 1560 световых годах от Земли. Однако, по мнению экспертов, наиболее перспективный кандидат для реализации амбициозного проекта Бамби — это одиночная (и, соответственно, невидимая) черная дыра, которая, как полагают, расположена в пределах от 20 до 25 световых лет от нашей планеты. Поскольку у большинства подобных космических объектов отсутствуют звездные партнеры, их можно выявить лишь благодаря редкому явлению, при котором свет удаленной звезды искажается под воздействием гравитационного микролинзирования, — иногда эти сигналы проявляются в виде слабого излучения, которое возникает при поглощении разреженного газа из межзвездной среды. Для их регистрации можно использовать космический телескоп «Джеймс Уэбб» или обсерваторию ALMA.
В статье, опубликованной в журнале iScience, астрофизик предлагает отправить к такой черной дыре космический зонд массой один грамм. «Нанокрафт» представляет собой лазерный парус площадью 10 квадратных метров, на поверхности которого в некоторых местах дополнительно реализованы микросхемы. Разогнать аппарат до трети скорости света можно с помощью наземной лазерной установки, а при увеличении мощности — теоретически и до 90 процентов (чем меньше зонд, тем легче его разогнать до нужных скоростей).
В связи с тем, что эти технологии создаются в рамках инициативы Breakthrough Starshot, изначально проект был ориентирован на полет к Альфе Центавра, однако к середине XXI века стоимость лазерной инфраструктуры, возможно, станет более или менее доступной, составив около миллиарда евро. В то же время, пока неясно, будут ли эксперименты Breakthrough Starshot успешными, поскольку строительство лазера высокой мощности, необходимого для запуска «нанокрафта» (согласно оценкам Бамби), на сегодняшний день обошлось бы в триллион евро.
Время, необходимое для выполнения миссии, будет определяться удаленностью черной дыры и скоростью аппарата: при достижении трети скорости света «нанокрафт» достигнет цели за 60–75 лет, а на передачу данных на Землю потребуется еще 20–25 лет. Если же удастся разогнать зонд до 90 процентов световой скорости, миссия сократится до 40–45 лет. Для повышения надежности Бамби предлагает отправить либо два идентичных «нанокрафта» (что повлечет за собой значительные затраты), либо оснастить основной аппарат отделяемым модулем: первый аппарат совершит пролет мимо черной дыры в качестве ретранслятора, а второй приблизится к горизонту событий на минимально безопасное расстояние.
В связи с современным уровнем технологического развития полет к черной дыре и выход на орбиту вокруг нее невозможны. В качестве оптимального варианта рассматривается краткосрочное наблюдение: для сбора информации «нанокрафт» должен будет сбросить отделяемый зонд и быстро пролететь мимо. Альтернативным решением может стать гравитационный маневр для коррекции траектории. Однако для выхода на орбиту при скоростях, близких к скорости света, зонду потребуется значительно снизить скорость, что представляется практически невыполнимой задачей.
Данный метод даст возможность выполнить сразу три самостоятельных эксперимента: установить метрику Керра (описание геометрии пространства-времени в окрестностях вращающейся черной дыры), постоянство основных физических параметров (например, отсутствуют изменения постоянной тонкой структуры α в условиях мощной гравитации) и наличие горизонта событий (если отправить зонд прямиком в черную дыру, то можно проверить, исчезнет сигнал «нанокрафта», как это предсказывает теория, или нет).
Осуществление столь амбициозной задумки представляется крайне сложной задачей, и, возможно, невыполнимой. В первую очередь, потребуется создание чрезвычайно легких и одновременно прочных парусов, способных выдерживать воздействие мощного лазерного излучения. Кроме того, необходимо разработать систему навигации в условиях отсутствия каких-либо ориентиров (стоит помнить, что изолированную черную дыру невозможно увидеть) и найти способ передачи информации на расстояние, измеряемое десятками световых лет. Наконец, нужно будет найти решение, позволяющее скорректировать траекторию зонда для успешного выхода на орбиту вокруг невидимого космического объекта».
Прежде чем говорить о практической реализации подобной идеи, необходимо определить, какие черные дыры находятся ближе всего к нашей планете, что является непростой задачей. Поиск может потребовать значительное время, или не принести результатов, а также потребует испытания передовых технологий в менее амбициозных миссиях, например, в рамках проекта Breakthrough Starshot, направленного к Альфе Центавра. Таким образом, к заявлению китайского исследователя следует подходить с определенной долей скептицизма.
Бамби, однако, подчеркнул, что разработка технологий для доставки «нанокрафта» может занять несколько десятилетий. По его словам, когда это станет возможным, у человечества появится беспрецедентная возможность исследовать основополагающие законы природы в наиболее экстремальных условиях — вблизи горизонта событий черной дыры».