Revolucionarni laser gamma zraka — ključ za međuzvjezdano putovanje?

Profesor Avi Loeb je 1950-ih godina iznio ideju da bi potpuno pretvaranje materije u svjetlosne čestice (fotone) moglo biti izvor energije za pogon raketa do međugalaktičkih brzina. Iako je tada smatrana znanstvenom fantastikom, ta je ideja nastavila živjeti i razvijati se. Danas nekoliko istraživačkih timova radi na tehnologiji koja bi mogla održati koherentne gamma zrake, najenergičniji oblik svjetlosti u svemiru.

Koherentne gama zrake su oblik gama zraka gdje su valne fronte usklađene, slično kao kod laserskih zraka u optici. To znači da svi fotoni zrače u istom smjeru i s istom frekvencijom i fazom. Takva usklađenost omogućava stvaranje snažnog i usmjerenog snopa energije, što može biti korisno za napredne tehnologije poput raketnog pogona. Koherentne gama zrake su važne jer povećavaju efikasnost i kontrolu nad zrakama, čineći ih korisnijima za precizne znanstvene i tehničke primjene

Nevjerojatna energija gamma zraka

Gamma zrake, nevidljive ljudskom oku, nastaju pri eksplozijama supernova i iz najenergičnijih objekata u svemiru, poput pulsara – visoko magnetiziranih neutronih zvijezda koje emitiraju pulsirajuće zračenje. Gamma zrake putuju kroz vakuum svemira brzinom svjetlosti, s valnim duljinama tako malim da mogu proći kroz prostor unutar atoma detektora. S najmanjim valnim duljinama i najvećom frekvencijom, gamma zrake se nalaze na jednom ekstremu elektromagnetskog spektra.

Tradicionalni laser uzbuđuje elektrone u plinu, tekućini ili čvrstom tijelu kako bi emitirali koherentno zračenje. Emisije fotona su sinkronizirane, poput vojnika koji marširaju u korak, što stvara jači učinak. Ovo se razlikuje od svjetla koje emitira žarulja, čije je zračenje nekoherentno ili nasumično, ovisno o tome koji su atomi uzbuđeni u bilo kojem trenutku. Da bi izveli ovaj proces s gamma razine fotonima, znanstvenici moraju manipulirati velikim brojem atomskih jezgri u deformirana, uzbuđena stanja poznata kao izomeri.

Napredna istraživanja i suradnja

Istraživači sa Sveučilišta u Rochesteru rade na ovom projektu u suradnji s kolegama iz ELI Beamlines, laserskog istraživačkog centra u Češkoj. “Sposobnost stvaranja koherentnih gamma zraka bila bi znanstvena revolucija u stvaranju novih izvora svjetlosti, slično kao što je otkriće i razvoj izvora vidljive svjetlosti i X-zraka promijenilo naše razumijevanje atomskog svijeta,” rekao je dr. Antonino Di Piazza, profesor fizike sa Sveučilišta u Rochesteru.

Prvi korak prema izgradnji bilo kojeg funkcionalnog lasera je dokazati da znanost funkcionira, kaže dr. Di Piazza. “Nismo prvi znanstvenici koji pokušavaju stvoriti gamma zrake na ovaj način, ali mi to činimo koristeći potpuno kvantnu teoriju – kvantnu elektrodinamiku – što je napredan pristup rješavanju ovog problema.”

Tim će analizirati kako jedan ili dva elektrona emitiraju svjetlost. Nadaju se da će na kraju raditi s većim brojem elektrona kako bi proizveli koherentne gamma zrake. Ako uspiju održati snop koherentnim i stabilnim kroz dulje vrijeme, gamma zrake bi mogle postati novi izvor energije za stvaranje antimaterije (poput materije, ali s suprotnim električnim nabojem). Također bi mogle omogućiti novi način za proučavanje nuklearnih procesa i skeniranje unutrašnjosti gustih objekata poput kontejnera.

Poticaji i istraživački projekti

Projekt financira Nacionalna znanstvena zaklada i temelji se na prethodnim, kontinuiranim istraživanjima koherentnih gama zraka. Na primjer, članak iz 2012. objavljen u časopisu Acta Astronautica predložio je raketni pogon koristeći laser gama zraka snage nekoliko gigaelektronvolti. Autori su naveli: “Pokazano je da ideja o fotonskoj raketi putem potpune anihilacije materije s antimaterijom, koju je prvi predložio Sänger, nije utopijska šema kako se široko vjeruje.”

Proces bi započeo anihilacijom protona i antiprotona, stvarajući masivan val gama zraka. Zatim bi fokusirani laserski snop koncentriranih gama zraka bio usmjeren unutar svemirskog broda, stvarajući “fotonsku lavinu.” Magnetsko polje koje okružuje ovaj proces apsorbiralo bi povratni moment snopa i prenijelo ga na svemirski brod, osiguravajući mu zamah.

Iako istraživači sugeriraju da bi ovaj scenarij u početku mogao bolje funkcionirati s manjim svemirskim vozilima, drugi timovi u Švedskoj i Islandu napredovali su u istraživanjima gama zraka za raketni pogon 2020. godine, predlažući načine za korištenje vodika kao goriva za generiranje potrebne energije za veće rakete.

Izazovi i budući koraci

Naravno, prije nego što se upustimo u putovanja raketama pokretanima gama zrakama i istražimo susjedne galaksije, znanstvenici moraju riješiti problem koherencije snopa. Godine 2019., znanstvenici sa Sveučilišta California, Riverside, primijenili su obećavajući pristup. Uspješno su inkapsulirali mjehurić pozitronija – skup atoma koji sadrže pozitron, antipartikl elektrona – unutar superfluidnog tekućeg helija. Ovaj oblik helija sličan je superprovodniku, bez otpora, viskoznosti ili trenja. Helij je pružio zaštitnu barijeru između vanjskog svijeta i pozitronija. Interakcije pozitrona generirale su gama zrake ako je pozitronij ostao u kvantnom stanju poznatom kao Bose-Einsteinov kondenzat.

Jedan od izazova u razvoju i stabilizaciji gama-emisijskih izomera je njihovo prebrzo otpuštanje energije, što otežava održavanje velike populacije izomera odjednom. Srećom, neki izotopi (oblici kemijskih elemenata s različitim brojem neutrona) mogu pružiti energičnije gama zrake uz manji energetski unos za održavanje svojih izomera, i znanstvenici ih proučavaju kao potencijalna rješenja problema koherentnog snopa.

Iako laseri gama zraka nove generacije možda neće omogućiti putovanje do galaksije Andromeda tijekom naših života, temeljna tehnologija koja bi omogućila to putovanje mogla bi biti na dohvat ruke.