Obří zrcadla ve vesmíru a teraformace planet

Vědci se zabývají využitím obřích zrcadel ve vesmírných podmínkách už několik desítek roků. Jak mohou pomoci s přeměnou podmínek na vzdálených planetách? (délka blogu 3 min.)

Koncept využití obřích zrcadel ve vesmíru není zrovna nový. Studie, která se zabývá jejich parametry, byla publikována už v 90. letech. Myšlenka zrcadel, která by se nacházela na oběžné dráze kolem planety, je fascinující hned ze dvou důvodů - takové objekty by se daly použít k teraformaci planety tak, aby vyhovovala našim potřebám, stejně tak jako by podobná zrcadla mohla prozradit existenci života na jiných planetách, kde by je mohla využívat cizí civilizace. Autoři níže zmiňované studie pracují s tímto tématem už delší dobu.

V roce 2015 například publikovali studii, ve které probírali, jak by se celá flotila kilometrových zrcadel projevila při pohledu ze Země. Zjistili, že pokud by zrcadla obíhala kolem planety s vázanou rotací na svou hvězdu (typicky se takové planety nacházejí v obyvatelné zóně kolem hvězd typu červených trpaslíků), musela by určitým způsobem deformovat světelnou křivku mateřské hvězdy během tranzitu, což by pro naše teleskopy mohl být jasný důkaz existence vyspělé civilizace.

Využití k teraformaci

Zrcadla by mohla jednak odrážet sluneční svit na chladnou noční stranu planety, mohla by ovšem také pomáhat s celkovým oteplováním světa, který leží mimo ideální teplotní pásmo. Věc má ale jeden háček - fyziku. Výzkum ukazuje, že udržet takové obří struktury stabilní je mnohem složitější, než se na první pohled zdá. Nebezpečím jsou pro ně už samotné fotony, které taková konstrukce využívá k oteplování nebo osvětlení cizí planety. Fotony totiž dokážou s obřími konstrukcemi pohnout podobně jako silný vítr s plachtou.

Když fotony z hvězdy narazí na povrch pevného předmětu, předají mu část své hybnosti. Tento jev se nazývá tlak záření a pro běžné družice na naší oběžné dráze představuje jen drobnou odchylku, kterou musí palubní motory občas korigovat. Daleko dramatičtější bude samozřejmě situace u obřích struktur s daleko větším povrchem. Například u objektů, které mají plochu jednoho čtverečního kilometru a váží kolem tuny, bude tlak záření tak silný, že dokáže deformovat původně kruhovou oběžnou dráhu. Čím blíže je planeta u jasné hvězdy a čím větší bude zrcadlo na oběžné dráze, tím více bude na zrcadlo působit tlak záření.

Problémy na oběžné dráze

Pokud takové zrcadlo obíhá kolem planety, směr tlaku hvězdného větru se neustále mění vzhledem k poloze zrcadla na jeho orbitě. V praxi to znamená, že v určitých fázích oběhu tlak fotonů zrcadlo urychluje, zatímco v jiných ho brzdí.

Tento neustálý přísun a úbytek energie vede k tomu, že se oběžná dráha začne protahovat do elipsy. Jakmile se elipsa stane příliš extrémní, zrcadlo buď shoří v atmosféře planety, nebo je vymrštěno do hlubokého vesmíru. Udržení stabilní pozice by vyžadovalo obrovské množství paliva a stavbu takových struktur komplikovalo a tím i prodražilo. Vědci se tedy snažili pomocí počítačové simulace najít pokud možno co nejstabilnější oběžné dráhy.

Do virtuálního vesmíru umístili planetu o velikosti Země a nechali kolem ní po různých drahách obíhat obří zrcadla. Testovali také různé typy hvězd od chladných červených trpaslíků spektrální třídy M8 až po žhavější hvězdy typu G2, které se podobají našemu Slunci. Zrcadla byla v simulacích umísťována do různých počátečních vzdáleností, konkrétně do výšky dvou, tří a deseti poloměrů planety. Zkoumali také vliv orientace zrcadel vůči rovině, ve které planeta obíhá kolem své hvězdy. V praxi to znamená, že zrcadlo se může pohybovat buď ve směru rotace planety, nebo v protisměru. Dále testovali například i různé orbitální dráhy, které byly různě otočeny k linii střídání dne a noci. Každý scénář se spouštěl na tisíc oběhů.

Výhoda malých chladných hvězd

Výsledky simulací přinesly několik překvapení. Vědci zjistili, že zrcadla mají mnohem větší šanci na dlouhodobé přežití u malých a chladných hvězd typu M5 a M8 než u velkých a zářivých hvězd.

Důvod je vlastně logický. U chladných červených trpaslíků se obyvatelná zóna nachází extrémně blízko samotné hvězdy. Planeta kolem ní obíhá velmi rychle, což znamená, že směr, ze kterého přichází tlak světla, se rychle mění. Dráha zrcadla se sice neustále deformuje, ale protože se směr tlaku rychle otáčí, deformace se navzájem ruší a oběžná dráha začne kolem planety tančit ve složitých, ale stabilních vlnách. Tento efekt brání tomu, aby se orbita protáhla natolik, že by došlo ke kolizi s povrchem planety.

Výhoda jízdy v protisměru

Dalším zajímavým objevem byl rozdíl mezi dráhou prográdní a retrográdní. V simulacích se jasně ukázalo, že zrcadla letící v protisměru oběhu planety, vykazují daleko vyšší stabilitu než ta, která se pohybují ve směru oběhu planety.

Vědci publikovali příklad, kdy zrcadlo na prográdní dráze narazilo do planety už po pouhých dvaceti obětech, zatímco úplně stejné zrcadlo v protisměru bez problémů přečkalo celých tisíc simulovaných oběhů.

Tento rozdíl je prý způsoben mechanismem přenosu momentu hybnosti mezi planetou, zrcadlem a hvězdou. U retrográdních drah je protažení způsobené tlakem záření mnohem méně agresivní. Dráha se sice stává eliptickou, ale nestihne se deformovat do kritických hodnot dříve, než na ni zapůsobí jevy, které ji naopak stabilizují.

Pro inženýry budoucích mimozemských civilizací z toho plyne jasné ponaučení, že pokud chtějí ušetřit palivo a zajistit bezpečnost svých megastruktur, musí je posílat na oběžnou dráhu zásadně v protisměru.

Blíže k planetě

Navíc se ukazuje, že čím blíže ke své planetě zrcadlo obíhá, tím je jeho dráha bezpečnější. V těsné blízkosti planety totiž gravitační síla pevného tělesa dominuje nad slabým tlakem hvězdného záření. Jakmile je ovšem zrcadlo umístěno příliš daleko, například do vzdálenosti deseti poloměrů planety, síla gravitace slábne a tlak světla začíná mít nepříjemně vysoký vliv.

Znalost těchto jevů se dá využít nejen při úvahách o budoucí teraformaci cizích planet, ale také při (daleko reálnějším) hledání života ve vesmíru. Pokud budeme v hlubokém vesmíru hledat vyspělé civilizace, nemusíme pátrat jen po rádiových signálech. Vyplatí se věnovat také jiným jevům v blízkosti exoplanet. Mohly by být právě takovými obřími, umělými zrcadly.

^{Zdroje: Köhne, T., Batygin, K. On the dynamical origins of retrograde Jupiter Trojans and their connection to high-inclination TNOs. Celest Mech Dyn Astr 132, 44 (2020). Odkaz, Exploring the Orbital Stability of Large, Lightweight Mirrors around Exoplanets, Shauna M. Sallmen, Eric J. Korpela, Odkaz, Odkaz}