Ile trwa lot do innej galaktyki?

Wyobrażasz sobie wakacje w innej galaktyce i zastanawiasz się, ile trwałby taki lot? Chcesz porównać filmowe podróże z tym, co mówi dzisiejsza fizyka? Z tego tekstu dowiesz się, jak długo leciałby statek kosmiczny do innej galaktyki, jakie są obecne ograniczenia techniczne i skąd biorą się „błyskawiczne” przeloty znane z science fiction.

Jak daleko są inne galaktyki od Drogi Mlecznej?

Na początek trzeba odpowiedzieć na jedno pytanie: jak długi dystans w ogóle chcemy pokonać. Najbliższe sąsiedztwo Drogi Mlecznej to kilka mniejszych galaktyk karłowatych. Dwie najsłynniejsze to Wielki Obłok Magellana i Mały Obłok Magellana, widoczne na niebie południowym. Dla inżyniera lotów kosmicznych to pierwsze naturalne „cele” międzygalaktyczne, bo są najbliżej.

Wielki Obłok Magellana znajduje się w odległości około 160 tys. lat świetlnych, a Mały Obłok Magellana – około 200 tys. lat świetlnych. To dużo większe dystanse niż do jakiejkolwiek gwiazdy w naszej galaktyce. Dla porównania, Proxima Centauri – najbliższa gwiazda do Słońca – leży „zaledwie” 4,2 roku świetlnego od Ziemi. Różnica jest więc ogromna i już na tym etapie widać, że skala problemu rośnie wykładniczo.

Galaktyka Andromedy

Jeśli mówisz „inna galaktyka”, większość osób od razu myśli o Galaktyce Andromedy. To najbliższa nam duża galaktyka spiralna, podobna do Drogi Mlecznej. Jej odległość szacuje się na około 2,52 mln lat świetlnych. W języku naukowym to nadal „bliski” obiekt, w skali ludzkich wyobrażeń jest to jednak dystans wręcz abstrakcyjny.

Ta liczba oznacza, że światło wysłane dziś z naszej galaktyki dotrze do Andromedy za ponad dwa i pół miliona lat. Gdyby hipotetyczny statek kosmiczny leciał tam z prędkością światła, jego pasażerowie spędziliby w podróży co najmniej tyle właśnie lat – z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora. To czas dłuższy niż historia rodzaju Homo sapiens, który istnieje około 200 tys. lat.

Dlaczego mówimy o latach świetlnych?

Lata świetlne to nie miara czasu, ale odległości. Światło w próżni porusza się z prędkością około 300 000 km/s

Jeśli więc pytasz, ile trwa lot do innej galaktyki, tak naprawdę pytasz, ile czasu potrzeba, by pokonać wielokrotność lat świetlnych przy określonej prędkości statku. To właśnie te dwie zmienne – dystans i prędkość – determinują wynik.

Jakie prędkości są dziś w ogóle możliwe?

Żeby w ogóle myśleć o locie międzygalaktycznym, statek musiałby opuścić nie tylko Ziemię i Układ Słoneczny, lecz także Drogę Mleczną. Z punktu widzenia dynamiki to znacznie trudniejsze zadanie niż ucieczka z pola grawitacyjnego planety. Fizycy mówią tu o tak zwanej czwartej prędkości kosmicznej.

Przy starcie z Ziemi ta prędkość to co najmniej 330 km/s. Tyle trzeba, by tor lotu statku nie był już tylko orbitą wokół Słońca czy wędrówką w obrębie galaktyki, ale trajektorią, która wyprowadzi go poza jej grawitacyjne „więzienie”. Żaden pojazd zbudowany współcześnie nie osiągnął jeszcze tego progu.

Rekordzista Parker Solar Probe

Największe zbliżenie do takich wartości zanotowała sonda słoneczna Parker Solar Probe należąca do NASA. 21 listopada 2021 roku, podczas dziesiątego przejścia przez peryhelium swojej orbity, osiągnęła prędkość około 163 km/s względem Słońca. To aż 586 800 km/h i jednocześnie nowy rekord prędkości dla obiektu stworzonego przez człowieka.

Wcześniej przez wiele lat rekord należał do sondy Helios 2, która w 1976 roku, dzięki bliskiemu przelotowi przy Słońcu, rozpędziła się do około 70,2 km/s. Kolejną granicę przesunęła sonda Juno – w 2011 roku, korzystając z asysty grawitacyjnej Jowisza, osiągnęła prędkość około 74 km/s. Widać więc wyraźnie, że podwajanie prędkości wymaga ogromnego wysiłku technicznego i bardzo sprzyjających warunków orbitalnych.

Czwarta prędkość kosmiczna – teoria a praktyka

Choć fizycy potrafią obliczyć, jaka prędkość jest potrzebna do ucieczki z galaktyki, to konstruktorzy statków kosmicznych bardzo daleko odbiegają od osiągnięcia tych wartości w praktyce. Nawet Parker Solar Probe, która zbliżyła się bardziej do Słońca niż jakakolwiek wcześniejsza misja, nie przekracza połowy wymaganej prędkości.

W dodatku samo osiągnięcie czwartej prędkości kosmicznej nie rozwiązuje problemu czasu podróży. Nawet statek pędzący z kilkunastoma procentami prędkości światła nadal musiałby lecieć setki tysięcy lat, by dotrzeć do stosunkowo bliskich galaktyk karłowatych.

Ile trwa lot do najbliższych galaktyk przy realistycznych prędkościach?

Załóżmy hipotetycznie, że ludzkość buduje statek, który porusza się z prędkością ułamka prędkości światła. To zupełnie inny poziom niż ten, który znamy dziś, ale wciąż jest to przypadek, który nie łamie praw fizyki. Jak wyglądałyby czasy podróży?

Dla uproszczenia przyjmijmy, że prędkość światła to c. Jeśli statek leci z prędkością 0,1c, czyli 10% c, w ciągu roku pokonuje 0,1 roku świetlnego. Na przelot 1 roku świetlnego potrzebuje więc 10 lat. To bardzo przybliżone obliczenia, ale pokazują skalę problemu.

Lot do Obłoków Magellana

Wielki Obłok Magellana leży 160 tys. lat świetlnych od nas. Przy prędkości 0,1c czas lotu wyniósłby więc około 1,6 mln lat. Zwiększenie prędkości do 0,5c skraca lot pięć razy, ale nadal mówimy o 320 tys. lat. To okres, który obejmuje więcej niż całe dzieje naszego gatunku na Ziemi.

Mały Obłok Magellana, w odległości około 200 tys. lat świetlnych, oznaczałby jeszcze dłuższy rejs. Nawet przy 50% prędkości światła mówimy o czasie rzędu 400 tys. lat. Z punktu widzenia jednej załogi taki lot nie ma sensu, chyba że mówimy o projekcie wielopokoleniowym, gdzie potomkowie potomków pierwotnych pasażerów nigdy nie poznają swojego domu innego niż statek.

Lot do Galaktyki Andromedy

W przypadku Galaktyki Andromedy dystans rośnie do około 2,52 mln lat świetlnych. Przy 0,1c czas lotu to 25,2 mln lat, przy 0,5c – około 5 mln lat. Nawet hipotetyczny statek poruszający się z prędkością zbliżoną do światła potrzebowałby na taki lot co najmniej 2,52 mln lat z perspektywy zewnętrznego obserwatora.

Dylatacja czasu sprawiłaby, że załoga doświadczyłaby krótszego upływu czasu, ale z punktu widzenia Ziemi minęłyby miliony lat. Po powrocie tacy podróżnicy zastaliby kosmos w zupełnie innym stanie niż ten, z którego wyruszali. To dobrze pokazuje, dlaczego fizycy traktują dziś loty międzygalaktyczne jako czysto teoretyczne rozważania.

Lot z prędkością zbliżoną do prędkości światła do innej galaktyki trwałby przynajmniej tyle, ile wynosi odległość do celu wyrażona w latach świetlnych – a najczęściej znacznie dłużej.

Czy fizyka dopuszcza szybsze podróże niż prędkość światła?

Według obecnej wiedzy nie można przyspieszyć materii z masą spoczynkową do prędkości światła. Energia potrzebna do takiego przyspieszenia rośnie bez granic. Fizycy szukają więc innych dróg: zamiast przyśpieszać statek w klasycznym sensie, próbują „kombinować” z samą strukturą czasoprzestrzeni.

Teoretycznie ogólna teoria względności nie zakazuje deformowania przestrzeni z dowolną prędkością. Można więc wyobrazić sobie sytuację, w której to nie statek pędzi przez kosmos, ale przestrzeń przed nim się kurczy, a za nim rozszerza. Sam pojazd pozostaje w „bąblu” lokalnie spoczywającej czasoprzestrzeni.

Napęd Alcubierre’a i materia egzotyczna

W 1994 roku Miguel Alcubierre opisał matematyczny model takiego napędu. Koncepcja, szerzej znana dziś jako napęd Alcubierre’a, zakłada istnienie „fali” przestrzeni, która przesuwa bąbel z zakotwiczonym w nim statkiem. Dla zewnętrznego obserwatora wygląda to jak ruch szybszy od światła, choć lokalnie w bąblu nic tej prędkości nie przekracza.

Problem w tym, że do wytworzenia takiej konfiguracji pól grawitacyjnych potrzebna jest tak zwana materia egzotyczna o ujemnej gęstości energii. Teoretyczne rachunki sugerują, że do zagięcia przestrzeni pozwalającego na prędkość porównywalną z prędkością światła potrzeba byłoby więcej energii, niż znajduje się w obserwowalnym wszechświecie. Z technicznego punktu widzenia jest to więc pomysł atrakcyjny matematycznie, lecz praktycznie nieosiągalny.

Dylatacja czasu – podróż szybka dla załogi, wolna dla reszty?

Efektem ubocznym prędkości bliskich prędkości światła jest dylatacja czasu. Oznacza to, że czas na pokładzie szybko poruszającego się statku płynie wolniej niż na Ziemi. Przykładowo, lot do Proximy Centauri z prędkością 99% c trwałby dla obserwatora na Ziemi trochę ponad 4 lata, ale dla załogi mogłoby to być jedynie kilka miesięcy subiektywnego czasu.

Ten efekt bywa przedstawiany w literaturze science fiction jako sposób na „oszukanie” barier czasowych. W praktyce rozwiązuje on problem długiej podróży tylko z punktu widzenia astronautek i astronautów, a nie cywilizacji, która zostaje z tyłu. Dla planowania logistyki czy kontaktu między galaktykami to wciąż ogromna przeszkoda.

Dlaczego lot do innej galaktyki pozostaje w sferze teorii?

Wszystkie powyższe obliczenia prowadzą do jednego wniosku: przy obecnym stanie techniki loty międzygalaktyczne to tylko rozważania teoretyczne. Nawet najodważniejsze projekty statków międzygwiezdnych, jak koncepcje żagli słonecznych czy napędów jądrowych, ograniczają się do przestrzeni wewnątrz naszej galaktyki.

Skala czasowa jest tu bezlitosna. Okresy rzędu setek tysięcy czy milionów lat są nieporównywalne z długością życia człowieka, a nawet cywilaizacji w rozumieniu historycznym. Potencjalne projekty wielopokoleniowych statków wymagałyby rozwiązań z zakresu biologii, socjologii i inżynierii, które dziś trudno sobie nawet sensownie opisać.

Jak science fiction „rozwiązuje” ten problem?

Autorzy fantastyki naukowej od dawna lubią przesuwać granice tego, co mówi fizyka. Żeby ich bohaterowie mogli przeskakiwać między galaktykami w ciągu godzin czy dni, wymyślają różne fikcyjne technologie. W tle pojawiają się więc tunele czasoprzestrzenne, wrota, napędy nadświetlne i nadprzestrzeń.

Znane przykłady to napęd Warp z serialu Star Trek, który wprost nawiązuje do idei deformacji czasoprzestrzeni. Statek otacza się wtedy „bąblem” osłaniającym go przed skutkami dylatacji czasu, a przestrzeń przed nim zwęża się, za nim rozszerza. Inna droga to wykorzystanie dodatkowych wymiarów przestrzennych, traktowanych jak skrót – tak działają nadprzestrzenne skoki w „Gwiezdnych wojnach” czy przeloty przez sieć bram w „Gwiezdnych wrotach”.

Jakie pomysły pojawiają się najczęściej?

W twórczości SF możesz spotkać kilka typowych motywów wyjaśniających błyskawiczne loty między galaktykami. Działają one jak „literackie obejście” obecnych ograniczeń fizyki:

• stałe, sztuczne wrota między punktami w kosmosie, przez które statek po prostu przelatuje,
• skoki przez nadprzestrzeń (hyperspace), utrzymywaną sztucznie przez systemy pokładowe,
• korzystanie z dodatkowych wymiarów, w których odległości są „skrócone”,
• napędy deformujące czasoprzestrzeń, inspirowane w luźny sposób napędem Alcubierre’a.

Autorzy komediowej science fiction idą często o krok dalej i parodiują ten motyw, wprowadzając „prędkość absurdalną” czy „niedorzeczną”, jak w filmie „Kosmiczne jaja” albo w „Autostopem przez Galaktykę”. Wtedy realizm schodzi na dalszy plan, a liczy się efekt humorystyczny.

Fizyczne ograniczenia i fantazja scenarzystów rzadko się spotykają – dlatego loty międzygalaktyczne w kulturze popularnej są zwykle czystą fikcją, opartą bardziej na potrzebach fabuły niż na prawach fizyki.

Ile więc trwa lot do innej galaktyki w praktyce i w fikcji?

Z punktu widzenia dzisiejszej nauki odpowiedź jest prosta, choć mało widowiskowa. Nawet przy prędkościach stanowiących znaczący ułamek prędkości światła lot do najbliższych galaktyk trwałby setki tysięcy lub miliony lat. To więcej niż cała znana historia cywilizacji ludzkiej.

W świecie filmów i książek science fiction podróże te trwają jednak od kilku minut do kilku dni. Napędy Warp, przeskoki do nadprzestrzeni czy przejścia przez wrota kosmiczne są literackimi narzędziami, które pozwalają skupić się na przygodzie, polityce czy dramacie bohaterów, a nie na ograniczeniach relatywistycznej fizyki.

Jak porównać realne i fikcyjne czasy lotu?

Można to ująć w prostą tabelę, w której zestawimy typ podróży, przybliżone czasy i podstawowe założenia. Pozwala to jednym rzutem oka zobaczyć, jak bardzo fikcja oderwana jest od dzisiejszych możliwości technicznych:

Takie zestawienia pokazują, że na pytanie „ile trwa lot do innej galaktyki” istnieją w praktyce dwie zupełnie różne odpowiedzi. Jedna płynie z równań fizyki i mówi o milionach lat. Druga rodzi się w wyobraźni autorów i pozwala dotrzeć do celu w czasie znośnym dla bohaterów – choć zupełnie oderwanym od realiów techniki i energii dostępnej w prawdziwym wszechświecie.