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Naves que viajan a la velocidad de la luz usando supernovas como 'combustible'
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Utilizar velas solares y supernovas

Naves que viajan a la velocidad de la luz usando supernovas como 'combustible'

El astrofísico de Harvard Avi Loeb nos cuenta cómo puede construirse una nave que, como un surfista, utilice los fotones de una supernova para viajar a la velocidad de la luz

Foto: Ilustración de un concepto de nave de vela solar impulsada por la luz de una supernova.
Ilustración de un concepto de nave de vela solar impulsada por la luz de una supernova.

Al igual que las estrellas de Hollywood, las estrellas más raras del Universo tienen una vida corta. Las estrellas más masivas consumen su combustible nuclear en pocos millones de años, un periodo tan corto como la historia de la especie humana. ¿Qué ocurre en el último año de su vida?

La potente explosión de una supernova lanzaría las velas solares a la velocidad de la luz con un coste mínimo.

Sabemos que la muerte de las estrellas masivas es bastante tumultuosa, con una importante pérdida de masa a su entorno inmediato en sus últimos años de vida. Una vez que su núcleo colapsa, el destino de la estrella depende de si ese colapso desencadena una onda de presión que se desplace hacia el exterior durante los diez segundos que siguen a la formación de su remanente central. Una fuerte onda de choque puede expulsar la envoltura circunestelar de la estrella y dar lugar a una brillante explosión de supernova, dejando tras de sí una estrella de neutrones remanente con una masa similar a la del Sol y el tamaño de una ciudad como Boston. Si no se produce ninguna conmoción, el núcleo estelar implosiona hasta convertirse en un agujero negro. Tal implosión podría ser oscura, sin que podamos detectar ningún tipo de fuegos artificiales.

Sin embargo, si el agujero negro adquiere el giro suficiente por la rotación del núcleo, puede lanzar un chorro a lo largo de su eje de rotación que penetre la envoltura circunestelar y aparezca como un brillante destello de rayos gamma para un observador correctamente alineado. El "estallido de rayos gamma de larga duración" resultante suele ir seguido de un resplandor posterior y de una hipernova a medida que el ‘jet’ del agujero negro disipa su energía en la envoltura circunestelar y en el gas interestelar que lo rodea.

Peligrosas explosiones

Un estallido de rayos gamma dentro de nuestra propia galaxia supondría una amenaza existencial para la vida en la Tierra si su "cañón" apuntara a la Tierra desde una distancia corta. La estrella Eta Carina tiene aproximadamente cien masas solares y se encuentra a 7.500 años luz. Su "Gran Erupción" la convirtió en la segunda estrella más brillante del cielo nocturno entre el 11 y el 14 de marzo de 1843. Dada su avanzada fase evolutiva y su distancia, es posible que la estrella ya haya colapsado y que la energía de su explosión esté dirigiéndose hacia nosotros a la velocidad de la luz. Sin embargo, es poco probable que esta estrella sea capaz de producir una explosión de rayos gamma en nuestra dirección. En términos más generales, en un estudio con David Sloan y Rafael Batista, de la Universidad de Oxford, demostramos que la frecuencia de los estallidos de rayos gamma y supernovas en nuestra galaxia es lo suficientemente pequeña como para que los responsables políticos no se preocupen por esta amenaza.

placeholder La supernova de Eta Carinae. (NASA)
La supernova de Eta Carinae. (NASA)

Otra estrella masiva con una masa 18 veces superior a la del Sol, Betelgeuse, está a sólo 550 años luz de distancia. Como supergigante roja, Betelgeuse es una de las mayores estrellas visibles a simple vista. Si estuviera en el centro de nuestro Sistema Solar, su envoltura circunestelar habría engullido el cinturón de asteroides y las órbitas de Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. La capa exterior de Betelgeuse es difusa y tiene un diámetro mayor que la órbita de Marte. La convección lleva burbujas de material caliente enrarecido a su superficie, donde se enfría y se hunde de nuevo. Pudimos observar que Betelgeuse se oscureció a partir de octubre de 2019. El 22 de febrero de 2020, comenzó a brillar de nuevo. Las observaciones infrarrojas no habían encontrado ningún cambio significativo en el brillo durante los últimos 50 años anteriores, así que esto sugiere que el oscurecimiento se debió a un cambio causado por grandes granos de polvo. Los datos del telescopio espacial Hubble en 2022 sugieren que ese polvo oculto fue creado por una eyección de masa superficial que causó el oscurecimiento de la estrella. Su renovado brillo representa un retorno gradual a su luminosidad normal, muy probablemente porque la nube se desplazó de nuestra línea de visión.

La estrella más masiva que se conoce es R136a1, a una distancia de 160 mil años luz en la Gran Nube de Magallanes. Según un estudio publicado este mes, posee entre 150 y 200 masas solares.

Pero, donde hay riesgo, también hay oportunidad.

La luz de mil millones de soles durante un mes

Un espectáculo habitual de las playas de Hawai es la multitud de surfistas que aprovechan una potente ola del océano para alcanzar una gran velocidad. ¿Podrían haber civilizaciones extraterrestres que tuvieran aspiraciones similares para navegar usando el potente destello de luz procedente de una estrella en explosión como los ejemplos mencionados anteriormente?

placeholder Casiopea A. (NASA)
Casiopea A. (NASA)

Una vela solar que pese menos de medio gramo por metro cuadrado puede alcanzar la velocidad de la luz aunque esté separada de una explosión estelar por una distancia cien veces superior a la de la Tierra con respecto al Sol. Esto se debe a la luminosidad típica de una supernova, que equivale a mil millones de soles brillando durante un mes. Nuestro Sol apenas es capaz de acelerar una vela óptimamente diseñada a una milésima de la velocidad de la luz, incluso si la vela comienza su viaje a sólo diez veces el radio solar, la aproximación más cercana a nuestra estrella de una nave espacial humana, la Sonda Solar Parker. La velocidad terminal aumenta como la raíz cuadrada de la relación entre la luminosidad de la estrella y la distancia inicial. Puede alcanzar una décima de la velocidad de la luz para las estrellas más luminosas.

También podemos usar potentes rayos láser [como ya hemos visto en otros estudios. N. del. T.] para empujar velas ligeras mucho mejor que el Sol. El proyecto Breakthrough Starshot pretende alcanzar varias décimas de la velocidad de la luz empujando una vela ligera durante unos minutos con un rayo láser diez millones de veces más brillante que la luz solar en la Tierra (usando diez gigavatios por metro cuadrado). Alcanzar este objetivo requiere una gran inversión para construir la infraestructura necesaria para producir y alimentar el haz de luz.

placeholder Visualización de la nave espacial que puede alcanzar un 20% de la velocidad de la luz usando velas solares. (Project Breakthrough Starshot)
Visualización de la nave espacial que puede alcanzar un 20% de la velocidad de la luz usando velas solares. (Project Breakthrough Starshot)

La posibilidad barata — a muy largo plazo — es que haya una civilización que, por casualidad, resida cerca de una estrella masiva, como Betelgeuse o Eta Carinae, y aparque numerosas velas solares a su alrededor, esperando astutamente la potente explosión que lanzará estas velas a la velocidad de la luz con un coste mínimo.

Estrategia a largo plazo

Por supuesto, existen desafíos para este plan. El primero de ellos es la paciencia. Las estrellas masivas viven millones de años y es difícil prever el momento exacto de su explosión, al igual que es un reto predecir en qué año puede morir una persona tras acercarse a la esperanza de vida media.

Las velas pueden transportarse a su destino mucho antes de la explosión mediante cohetes químicos baratos. Como el viaje duraría millones de años a través de la nube molecular que dio origen a la estrella masiva, sólo las civilizaciones situadas en las proximidades de esa nube podrían utilizar la propulsión química para llegar a la estrella antes de que estalle. Los mismos motores de cohete permitirían a las velas flotar en la orientación adecuada respecto a la estrella, enviándola en la dirección deseada con la explosión.

placeholder El físico Stephen Hawking, con el inversor Yuri Milner, el físico Freeman Dyson (centro), y el físico Avi Loeb durante el anuncio Breakthrough Starshot. (Reuters/Lucas Jackson)
El físico Stephen Hawking, con el inversor Yuri Milner, el físico Freeman Dyson (centro), y el físico Avi Loeb durante el anuncio Breakthrough Starshot. (Reuters/Lucas Jackson)

Como en el Proyecto Starshot, las velas deben ser muy reflectantes para no absorber demasiado calor y quemarse. Una vez colocadas en órbita alrededor de la estrella masiva, serán empujadas por la brillante luz estelar o por la pérdida de masa previa a la explosión. Para evitar este extremo, las velas se pueden posicionar plegadas, equipadas con un interruptor que las abra como un paraguas en cuanto el destello de la explosión comience a elevarse. Aunque el lanzamiento puede iniciarse desde una distancia cien veces mayor que el tamaño de la estrella que explota, hay que tener cuidado a la hora de planear las trayectorias de aceleración, escogiendo aquellas que estén especialmente vacías, libres de cualquier residuo estelar. Con una velocidad relativa cercana a la de la luz, las partículas de polvo perforarían la vela como si fueran explosiones atómicas en miniatura y las partículas de gas frenarían la vela en el momento en que barriera la materia del entorno, que tendría un peso comparable al suyo. Una vez que la vela alcanzase su velocidad terminal, podría plegarse en una configuración similar a la de una aguja, ofreciendo una pequeña sección transversal en la dirección del movimiento para así minimizar la fricción y posibles daños.

Las velas eléctricas también podrían acercarse a velocidades similares mientras navegan en los vientos relativistas producidos por púlsares o los chorros de los agujeros negros, como discutimos en este artículo que escribí con mi antiguo estudiante de postdoctorado, Manasvi Lingam.

Ya hemos observado algo similar

¿Existe alguna evidencia de material en movimiento rápido en los restos de supernovas? Sí, pero es probable que tenga su origen en causas naturales. Las eyectas de las supernovas suelen desplazarse a una décima parte de la velocidad de la luz y, en restos como Vela y W44, se ha detectado material que se desplaza más rápido que esa eyecta. Además, se sabe que las explosiones más potentes — como las hipernovas o los estallidos de rayos gamma — producen desplazamientos naturales que se acercan a la velocidad de la luz, pero aislar posibles componentes artificiales en ellas sería un reto.

placeholder Impresión artística facilitada por el Observatorio Europeo Austral. (EFE/ESO)
Impresión artística facilitada por el Observatorio Europeo Austral. (EFE/ESO)

Navegar a la velocidad de la luz usando los destellos naturales de una supernova ahorraría los costosos gastos de construcción de sistemas de lanzamiento artificiales. Si tenemos la suerte de contar con muchas civilizaciones tecnológicas en nuestra galaxia, podría haber enjambres de velas solares alrededor de estrellas masivas, esperando pacientemente sus explosiones. Pero, antes de dejar que las agencias de viajes comercialicen estos fuegos artificiales como atractivos destinos turísticos, sería bueno conocer la respuesta a una pregunta: ¿estarán los entornos de las estrellas masivas tan abarrotados de surfistas como algunas de las playas de Hawai?

Todas las columnas de Avi Loeb se pueden leer aquí.

Al igual que las estrellas de Hollywood, las estrellas más raras del Universo tienen una vida corta. Las estrellas más masivas consumen su combustible nuclear en pocos millones de años, un periodo tan corto como la historia de la especie humana. ¿Qué ocurre en el último año de su vida?

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