Ποτέ δεν ξέρουμε ακριβώς πού πάμε στο διάστημα

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, κατά τη διάρκεια του διαστημικού αγώνα, ούτε οι Αμερικανοί ούτε οι Σοβιετικοί επιστήμονες γνώριζαν πραγματικά πού βρίσκονταν πλανήτες όπως ο Άρης ή η Αφροδίτη - ειδικά με την ακρίβεια και την ακρίβεια που είναι απαραίτητα για την πλοήγηση των διαστημικών σκαφών. Αυτό μπορεί να ακούγεται αμυδρά γελοίο. Φυσικά ήξεραν κατά προσέγγιση όπου θα βρισκόταν ένας στόχος όπως η Αφροδίτη όταν ένα διαστημόπλοιο έφτανε εκεί. Αλλά "περίπου" σε αυτό το πλαίσιο μπορεί να είναι μια μετατόπιση 10.000 ή 100.000 χιλιομέτρων. Οι πλανητικές θέσεις, οι εφημερίδες τους, βασίζονται στη βαθμονόμηση των τροχιών τους με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια με την πάροδο του χρόνου. Αλλά ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό σωστά είναι να κάνετε άμεσες μετρήσεις, όπως ακριβώς οι ναυτικοί του παλιού θα έπρεπε να πλεύσουν ακριβώς δίπλα σε ένα νησί ή μια ακτογραμμή για να καταγράψουν το γεωγραφικό πλάτος και το μήκος του.

Ένα διαβόητο παράδειγμα του προβλήματος ήρθε στις αρχές του 1961. Τα σχέδια ήταν σε εξέλιξη για να σταλεί μια ανιχνευτής στην Αφροδίτη, ξεκινώντας με τη σοβιετική εκτόξευση του ανιχνευτή Venera 1. Σοβιετικοί και Αμερικανοί επιστήμονες αγωνίζονταν για να εντοπίσουν τη θέση της Αφροδίτης και να τη χρησιμοποιήσουν για να βελτιώσουν επίσης την αστρονομική μονάδα - που τότε ορίστηκε ως η μέση απόσταση μεταξύ του κέντρου της Γης και του κέντρου του ήλιου. (Η αναπήδηση σημάτων ραντάρ από την Αφροδίτη ήταν ένας τρόπος για να γίνει αυτό από τη Γη.) Λίγους μήνες αργότερα και οι Σοβιετικοί ανακοίνωσαν περήφανα τη βελτιωμένη μέτρηση της αστρονομικής μονάδας που βασίζεται στην Αφροδίτη. Αλλά οι Αμερικανοί είδαν γρήγορα ότι αυτό ήταν περίπου 100.000 χιλιόμετρα διαφορετικό από τη δική τους μέτρηση με βάση το ραντάρ και χλεύασαν με χαρά τους Σοβιετικούς προτείνοντας ότι αντίθετα είχαν ίσως εντοπίσει έναν νέο πλανήτη.

Σε ό,τι ήταν, εκ των υστέρων, κάποια διεστραμμένη τύχη (για τους επιστήμονες που ήθελαν να αποφύγουν την πρόωρη συνταξιοδότηση), το σοβιετικό ανιχνευτή - που είχε προγραμματιστεί να πετάξει από την Αφροδίτη περίπου την εποχή των ανακοινώσεων της μέτρησης απόστασης - είχε ήδη υποστεί μια σειρά από ταπεινώσεις που περιλάμβαναν αποτυχία θερμικός έλεγχος και αποτυχημένος έλεγχος στάσης. Και ενώ πιθανότατα πέρασε κάπου κοντά στην Αφροδίτη, ποτέ δεν θα μάθουμε ακριβώς πόσο μακριά ήταν, γιατί σε εκείνο το σημείο είχαν σταματήσει όλες οι επικοινωνίες με τον ανιχνευτή.

Αλλά η λανθασμένη τοποθέτηση της Αφροδίτης θα μπορούσε να ήταν πραγματικά καταστροφική. Το Venera 1 μπορεί να είχε χάσει τόσο πολύ που δεν θα είχε αποκτήσει χρήσιμα δεδομένα ούτως ή άλλως, ή μπορεί να είχε μπει στον πλανήτη για μια άδοξη καταστροφή. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι με τέτοια τραυματικά μαθήματα, οι επιστήμονες έχουν ιδρώσει για να καθηλώσουν όλο και καλύτερα τις εφημερίδες των αντικειμένων του ηλιακού συστήματος. Ωστόσο, ακόμη και με τεράστιες βελτιώσεις, το θεμελιώδες ζήτημα του ακριβούς εντοπισμού τόσο των διαστημικών σκαφών όσο και των πλανητικών τους στόχων δεν έχει εξαφανιστεί. Κατά μία έννοια, έχει γίνει ακόμη πιο οξύ.

Σήμερα, ένας από τους φύλακες των εφημερίδων είναι το Jet Propulsion Laboratory, στην Καλιφόρνια. Παρέχει προσεκτικά επιμελημένα και συνεχώς ενημερωμένα δεδομένα σχετικά με το πού νομίζουμε ότι βρίσκονται οι πλανήτες, τα φεγγάρια, οι κομήτες, τα ρεύματα μετεωριτών και οι αστεροειδείς. Ένα είδος Farmer's Almanac για πλανητική εξερεύνηση. Αλλά όσο πιο μακριά προχωράμε και όσο πιο εξωτικοί είναι οι στόχοι μας, τόσο μεγαλύτερη είναι η πρόκληση.

Εκπονούνται φιλόδοξα σχέδια για την αποστολή μικροσκοπικών «νανοσκαφών» με ελαφριά πανιά, που προωθούνται από ένα εξαιρετικά ισχυρό λέιζερ, μέχρι το αστρικό σύστημα Άλφα Κενταύρου. Είναι πάνω από τέσσερα έτη φωτός μακριά και περιλαμβάνει ένα ταξίδι τουλάχιστον 20 ετών, ταξιδεύοντας με το 20 τοις εκατό της ταχύτητας του φωτός, ή περίπου 134 εκατομμύρια μίλια την ώρα. Το πρόβλημα να φτάσουμε στο σωστό μέρος τη σωστή στιγμή σε ένα άλλο αστρικό σύστημα είναι πολύ μεγαλύτερο από το να φτάσουμε ακόμη και σε έναν από τους δικούς μας απομακρυσμένους εξωτερικούς κόσμους, όπως ο Πλούτωνας. Και το να φτάσουμε στον Πλούτωνα ήταν αρκετά δύσκολο.

Εκτοξεύτηκε με ταχύτητα ρεκόρ το 2006, ο ανιχνευτής New Horizons της NASA έτρεξε προς τον Πλούτωνα (με βοήθεια βαρύτητας από τον Δία) για περισσότερα από εννέα χρόνια και σχεδόν 5 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα. Χρησιμοποιώντας τηλεσκοπικές μετρήσεις από εδώ στη Γη και εξελιγμένη μοντελοποίηση της τροχιακής κίνησης του Πλούτωνα σε υπολογιστή, μπορούμε να εντοπίσουμε τη θέση του στον ουρανό μας με ακρίβεια περίπου 0,00014 μοιρών γωνίας. Ο Πλούτωνας είναι τόσο μακριά, ωστόσο, που αυτή η μέτρια αβεβαιότητα μεταφράζεται σε σφάλμα θέσης περίπου 13.000 χιλιομέτρων, αρκετά για να παρεμποδίσει σοβαρά μια προσπάθεια σε κοντινή πτήση. Για να περιπλέκονται περαιτέρω τα πράγματα, το διαστημόπλοιο βίωσε δύσκολα προβλέψιμες μετατοπίσεις στην τροχιά του λόγω των εξαιρετικά αιθέριων δυνάμεων από την ανομοιόμορφη θερμική ακτινοβολία που προέρχεται από την ηλεκτρική γεννήτρια γεμάτη πλουτώνιο.

Οι New Horizons πραγματοποίησαν τελικά τη συνάντηση τον Ιούλιο του 2015, προς τεράστια ανακούφιση των επιστημόνων που κυριολεκτικά περίμεναν ένα σημαντικό μέρος της ζωής τους μεταξύ της εκτόξευσης και της άφιξης. Πέρασε με φερμουάρ δίπλα από τον Πλούτωνα σε περίπου 12.500 χιλιόμετρα προσεκτικά επιλεγμένου διαχωρισμού. Στο τέλος, το να περάσει το New Horizons με φερμουάρ πέρα ​​από τον Πλούτωνα και τα συνοδευτικά του φεγγάρια οπουδήποτε κοντά στη σωστή διαδρομή χρειάστηκε σχολαστικές μετρήσεις θέσης και διορθώσεις πορείας χρησιμοποιώντας τις κάμερες του δικού του ανιχνευτή και πολλή υπομονή.

Συγκρίνετε τώρα τον Πλούτωνα με τον πλησιέστερο από τους αστέρες του Κενταύρου, έναν υποτιμητικό κόκκινο νάνο που ονομάζεται Proxima. Κινείται σε σχέση με τον ήλιο μας με συνολική ταχύτητα που γνωρίζουμε ότι είναι περίπου 32,19 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αλλά αυτός ο λιγότερο σημαντικός αριθμός των 0,01 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο μεταφράζεται σε μια ακατέργαστη αβεβαιότητα στη θέση που συσσωρεύτηκε κατά τη διάρκεια μιας 20ετούς αποστολής λίγο πάνω από 6 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Και αυτό είναι το αστέρι - ένα φωτεινό, σχετικά εύκολα μελετημένο αντικείμενο. Οι πλανήτες στο σύστημα θα είναι ένα δισεκατομμύριο φορές πιο σκοτεινοί και πολύ πιο δύσκολο να εντοπιστούν. Όπως και με το New Horizons, οι διαστρικοί ανιχνευτές πιθανότατα θα πρέπει να παρακολουθούν τους δικούς τους στόχους. Θα πρέπει να το κάνουν αυτόνομα γιατί οι επικοινωνίες με τη Γη θα χρειαστούν χρόνια για να αναπηδήσουν εμπρός και πίσω.

Μένει να δούμε αν τα μικροσκοπικά διαστημικά σκάφη μπορούν να φέρουν την απαιτούμενη υπολογιστική εργαλειοθήκη ή αισθητηριακή ικανότητα και ικανότητα διεύθυνσης για να το κάνουν αυτό. Τα ίδια τα λαμπερά αστέρια μπορεί να είναι οι καλύτεροι δείκτες για εκμετάλλευση, μαζί με τον δικό μας ήλιο να σχηματίζει έναν φάρο πλοήγησης. Οι μικροσκοπικοί παλμοί από μικροσκοπικές διόδους λέιζερ θα μπορούσαν να δώσουν ώθηση για ελιγμούς, και ίσως το κλειδί είναι να στείλουμε εκατοντάδες, ακόμη και χιλιάδες, νανοσκάφη, το καθένα με μέτρια τεχνητή νοημοσύνη και την ικανότητα να μαθαίνουν ο ένας από τον άλλο και να επιτυγχάνουν τους στόχους τους στο χώρο και στο χρόνο μέσω μαζική απόλυση και θυσίες πολλών. Αλλά όταν προσπαθείτε να πιάσετε μια ιπτάμενη σφαίρα—είτε αστέρι είτε πλανήτη—με άλλη ιπτάμενη σφαίρα, τα πράγματα μπορεί να πάνε στραβά.

Δεν είναι δύσκολο να αναγνωρίσουμε ότι οι αβεβαιότητες στη θέση που εκτείνονται σε χιλιάδες ή εκατομμύρια χιλιόμετρα μπορεί να είναι προβληματικές για τους εξερευνητές. Η προσπάθεια να επεκτείνουμε την εμβέλειά μας πέρα ​​από το οικείο μπορεί, ξεκάθαρα, να θέσει ορισμένες ασυγχώρητες απαιτήσεις στην ικανότητά μας να σχεδιάζουμε τη φυσική πραγματικότητα. Αλλά αυτά τα παραδείγματα οδηγούν επίσης σε μια πολύ βαθύτερη αλήθεια σχετικά με την αντίληψή μας για τον κόσμο και τον τρόπο που κωδικοποιούμε και αλληλεπιδρούμε μαζί του.

Το περίεργο είναι ότι υπάρχουν θεμελιώδεις ιδιότητες της φυσικής των αστεριών και των πλανητών που βρίσκονται σε τροχιά που εξαρτώνται από πολύ, πολύ μικρότερες αβεβαιότητες θέσης και μπορούν κυριολεκτικά να υπαγορεύσουν την επιβίωση ενός ολόκληρου συστήματος. Οι ρίζες αυτού βρίσκονται στο φαινόμενο του δυναμικού χάους μεταξύ των βαρυτικών αντικειμένων, στη συγκεχυμένη αλλά μαθηματικά καταγραφόμενη αστάθεια και στο απρόβλεπτο των ουράνιων κινήσεων. Και ενώ το χάος είχε αναγνωριστεί από τη δεκαετία του 1880, μόλις τη δεκαετία του 1980 οι ερευνητές ανέπτυξαν ειδικά σχεδιασμένους υπολογιστές για να προσομοιώσουν με ακρίβεια τη βαρυτικά καθοδηγούμενη κίνηση των πλανητών στο ηλιακό μας σύστημα. Προσομοιώσεις που αποκάλυψαν πόσο χαοτικός χώρος ζούμε.

Αποδεικνύεται ότι, εάν παρακολουθείτε την κίνηση των περιεχομένων του ηλιακού μας συστήματος μέσα από δεκάδες εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια χρόνια χρόνου, οι διακυμάνσεις στις θέσεις ενός πλανήτη όπως ο Ερμής στο επίπεδο των χιλιοστών μπορούν να κάνουν τη διαφορά. Μπορείτε να καταλήξετε σε ένα μέλλον σχετικής ήπιας τροχιάς ή ένα μέλλον όπου το εσωτερικό ηλιακό σύστημα αποσταθεροποιείται, πετώντας πλανήτες στον ήλιο ή σε τροχιές διαφυγής προς το διαστρικό διάστημα ή ακόμη και βάζοντας κόσμους σε τροχιά σύγκρουσης μεταξύ τους.

Το ότι τέτοιες μικροσκοπικές παραλλαγές μπορούν να προκαλέσουν τόσο ριζικά διαφορετικά αποτελέσματα δεν ταιριάζει με τους περισσότερους ανθρώπους που ελπίζουν σε κάποια προβλεψιμότητα στον κόσμο. Αυτό μιλάει για κάτι με το οποίο φαίνεται να παλεύουμε ως είδος. Είναι παρήγορο να υποθέσουμε ότι αυτό που ονομάζουμε πραγματικότητα είναι σταθερό, ή τουλάχιστον προβλέψιμα σε ροή. Σπάνια είναι.

Στέλνοντας μηχανές σε άλλους κόσμους, ακόμα και σε άλλα αστέρια, δεν έχουμε άλλη επιλογή από το να παραδεχτούμε πλήρως τις ανακρίβειες και τις ανακρίβειές μας, να είμαστε εντελώς, βάναυσα ειλικρινείς σχετικά με την περιορισμένη κατανόηση του τι υπάρχει εκεί έξω. Ακόμη και οι νόμοι της φύσης είναι συναγωγές που βασίζονται σε εντελώς ατελείς μετρήσεις, είτε των πλανητικών τροχιών και της βαρύτητας, είτε των ιδιοτήτων της λογικής και του συμβολικού χειρισμού στην άλγεβρα - η τελευταία «μετριέται» μέσω του ανθρώπινου μυαλού και των μηχανών που παράγουν αυτά τα μυαλά. Το εκπληκτικό είναι πόσο καλά αυτοί οι νόμοι μας επιτρέπουν να μοντελοποιήσουμε και να προβλέψουμε πτυχές του φυσικού κόσμου, μια ικανότητα που μας καθησύχασε και μας βοήθησε για χιλιάδες χρόνια. Καταφέραμε να ανατρέψουμε το πρόβλημα και τώρα μπορούμε να προβλέψουμε τα είδη του χάους που θα συμβεί στη φύση, από άστατες καιρικές συνθήκες και ασταθείς χρηματιστηριακές αγορές έως, φυσικά, πλανήτες.

Γι' αυτό ακριβώς η ειλικρίνεια σχετικά με τους περιορισμούς είναι κάτι όμορφο. Μας δίνει τη δυνατότητα να βρούμε τρόπους να ξεπεράσουμε τα όρια του χώρου, του χρόνου και της κατανόησης. Οι επιστήμονες πυραύλων στη δεκαετία του 1960 που έπιαναν τη θέση της Αφροδίτης και άλλων κόσμων ήταν πρωτοπόροι με τρόπους που ίσως ούτε αυτοί να αντιλαμβάνονταν. Δεν έφταναν μόνο στο κενό, προσπαθώντας να εντοπίσουν απίστευτα ολισθηρά πράγματα. Μας άνοιγαν στη θεμελιώδη φύση αυτού που ονομάζουμε ίδια την πραγματικότητα.

Ο Caleb Scharf είναι αστροφυσικός, διευθυντής αστροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο Columbia στη Νέα Υόρκη και ιδρυτής του yhousenyc.org, ενός ινστιτούτου που μελετά την ανθρώπινη και τη μηχανική συνείδηση. Το τελευταίο του βιβλίο είναι The Zoomable Universe:An Epic Tour Through Cosmic Scale, από σχεδόν τα πάντα στο σχεδόν τίποτα. Ακολουθήστε τον στο Twitter @caleb_scharf.

Υποσημειώσεις

1. Περιγραφή από Ulivi, P. &Harland, D.M. Robotic Explorations of the Solar System:Part 1:The Golden Age 1957-1982 Springer-Praxis, Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη (2007).

2. Greene, K. Inside Starshot, το τολμηρό σχέδιο να πυροβολήσουν μικροσκοπικά πλοία στον Άλφα Κενταύρου. Επισκόπηση τεχνολογίας MIT (2019).

3. Scharf, C.A. Το πιο γρήγορο διαστημόπλοιο ποτέ; Life, Unbounded blogs.scientificamerican.com (2013).

4. Batygin, K. &Laughlin, G. Σχετικά με τη δυναμική σταθερότητα του ηλιακού συστήματος. The Astrophysical Journal 683 , 1207-1216 (2008).

Κύρια εικόνα:Περνώντας στο διάστημα με 31.000 μίλια την ώρα στην απόδοση αυτού του καλλιτέχνη, το διαστημόπλοιο New Horizons ετοιμάζεται να συλλέξει δεδομένα για το πέρασμα του Πλούτωνα. Πίστωση:NASA / APL / SwRI