Gli esseri umani hanno sempre sognato di viaggiare nello spazio, affascinati da mondi sconosciuti e dal desiderio di esplorare galassie lontane. Il più grande ostacolo ai viaggi spaziali sono le immense distanze. In questo articolo, affrontiamo le enormi distanze nello spazio e il tempo necessario per raggiungere stelle e oggetti lontani utilizzando veicoli spaziali a diverse velocità. Per illustrare quanto sia vasto lo spazio, abbiamo calcolato quanto tempo ci vorrebbe per raggiungere alcuni oggetti celesti usando un'auto e il veicolo spaziale più veloce che l'umanità abbia mai costruito. Abbiamo anche calcolato quanto lontano potremmo viaggiare alla velocità della luce. Anche se la velocità della luce non è sufficiente per viaggiare lontano nello spazio, ci siamo rivolti alla serie di fantascienza Star Trek, dove le navette spaziali raggiungono velocità molto superiori a quella della luce utilizzando il motore Warp fittizio.
Un'auto che viaggia costantemente a 130 km/h (80 mph)
Immaginiamo di poter viaggiare nello spazio in un'auto. In molti paesi del mondo, la velocità massima consentita sulle autostrade è di 130 km/h o 80 mph, quindi abbiamo utilizzato questa velocità per i nostri calcoli. Un'auto potrebbe eventualmente raggiungere la Luna, impiegando circa 123 giorni per arrivarci. Per Marte, il viaggio richiederebbe ben 48 anni quando è più vicino alla Terra e fino a 352 anni quando è alla sua distanza massima. La sonda spaziale New Horizons ha impiegato 9,5 anni per raggiungere Plutone, un pianeta nano ai confini del sistema solare. In un'auto, questo viaggio richiederebbe almeno 3.750 anni. Proxima Centauri è la stella più vicina alla Terra, che si trova a 4,24 anni luce di distanza. Ci vorrebbero 35 milioni di anni per raggiungere questa stella in un'auto.
Composizione Colorata di Plutone. Crediti: NASA/Università Johns Hopkins Laboratorio di Fisica Applicata/Istituto di Ricerca del Sud-Ovest
Voyager 1 – Il veicolo spaziale creato dall'uomo più veloce che viaggia nello spazio
Voyager 1, lanciato nel lontano 1977, è il veicolo spaziale più veloce mai creato dall'umanità, viaggiando nello spazio a una velocità di circa 61.000 km/h (circa 38.000 miglia orarie). Tuttavia, Voyager 1 non è il veicolo spaziale più veloce mai costruito. La Parker Solar Probe raggiunge velocità di 700.000 km/h (circa 430.000 miglia orarie), ma quella velocità viene raggiunta solo quando passa più vicino al Sole, utilizzando la gravità del Sole per accelerare. D'altra parte, Voyager 1 viaggia nello spazio ed è attualmente l'oggetto creato dall'uomo più lontano.
Concetto artistico di Voyager 1 che entra nello spazio interstellare. Crediti: NASA/JPL-Caltech
Quindi, quanto è veloce Voyager 1 e quanto tempo ci vorrebbe per coprire vasthe distanze cosmiche? Voyager 1 potrebbe raggiungere la Luna in circa 6 ore alla sua attuale velocità. Da Terra a Marte ci vorrebbero 37 giorni accettabili quando Marte è più vicino alla Terra, e il viaggio verso il lontano Plutone richiederebbe otto anni. Raggiungere Proxima Centauri, la stella più vicina alla Terra, richiederebbe un incredibile 75.000 anni. Da questi calcoli, le nostre attuali capacità tecnologiche sono appena sufficienti per esplorare il sistema solare e solo senza un equipaggio umano. Forse nel prossimo futuro potremo inviare un equipaggio su Marte, il pianeta più vicino alla Terra. Per ora, la nostra tecnologia non è abbastanza avanzata per inviare sonde alle stelle più vicine.
Viaggiare alla Velocità della Luce
La velocità della luce in un vuoto è di circa 299.792 km/s (circa 186.282 miglia/s), equivalente a circa 1,08 miliardi di km/h (circa 671 milioni di miglia all'ora). Secondo le leggi della fisica, come descritto dalla teoria della relatività di Einstein, questa è la velocità massima possibile.
Un Calderone di Stelle al Centro Galattico. Credito: NASA/JPL-Caltech
Secondo la relatività, è teoricamente impossibile per oggetti con massa, come le navette spaziali o gli esseri umani, viaggiare alla velocità della luce. Man mano che la velocità di un oggetto aumenta, la sua massa effettivamente cresce, richiedendo sempre più energia per accelerare ulteriormente. Accelerare un oggetto massiccio alla velocità della luce richiederebbe energia infinita, rendendo tale viaggio impossibile secondo l'attuale comprensione scientifica.
Disregardiamo per un momento le leggi della fisica e supponiamo che viaggiare alla velocità della luce sia possibile. Se l'umanità possedesse un'astronave capace di viaggiare alla velocità della luce, quanto lontano potremmo andare nello spazio? L'intero universo sarebbe quindi alla nostra portata? Ecco cosa abbiamo calcolato.
Alla velocità della luce, ci vorrebbero solo 1,28 secondi per raggiungere la Luna, 3 minuti per arrivare a Marte e 4 ore per raggiungere Plutone. La velocità della luce sarebbe ideale per viaggi rapidi all'interno del sistema solare. Ma la velocità della luce è sufficiente per i viaggi interstellari? Proxima Centauri, la stella più vicina a noi, dista 4,24 anni luce. Questo significa che la luce impiega 4,24 anni per raggiungere Proxima Centauri, e il viaggio di ritorno richiederebbe lo stesso tempo. Tali viaggi potrebbero essere possibili con equipaggi umani, ma i passeggeri su una tale astronave dovrebbero trascorrere una parte significativa della loro vita nello spazio.
Ci sono circa 50 stelle entro un raggio di circa 15 anni luce dalla Terra. Un'astronave capace di viaggiare alla velocità della luce consentirebbe l'esplorazione di questa parte dello spazio, molto probabilmente con sonde senza equipaggio. Possiamo concludere che la velocità della luce è sufficiente per viaggiare verso le stelle più vicine, ma viaggiare verso le lontane regioni della nostra Via Lattea o di altre galassie sarebbe impossibile a causa del tempo che tali viaggi richiederebbero.
Ad esempio, il buco nero più vicino, V616 Monocerotis, si trova a 3.300 anni luce dalla Terra, quindi ci vorrebbero altrettanti anni per raggiungerlo alla velocità della luce. Chiaramente, un viaggio del genere non è fattibile né sensato.
Per raggiungere il centro della nostra galassia, ci vorrebbero 26.000 anni, e un viaggio verso Andromeda, la galassia a spirale più vicina, richiederebbe un incredibile 2,537 milioni di anni.
Viaggio più Veloce della Luce
Nella famosa franchise di fantascienza Star Trek, le astronavi viaggiano a velocità molto superiori a quella della luce. Questo è reso possibile dal fittizio motore a curvatura. Il motore a curvatura in Star Trek consente alle navi stellari di viaggiare più velocemente della luce creando una "bolla" che deforma lo spazio-tempo attorno alla nave. In questo modo, la nave non viola la legge di viaggiare più velocemente della luce nello spazio, ma muove lo spazio-tempo attorno ad essa. Anche se questo motore è fittizio, gli scienziati hanno sviluppato un modello teorico di un motore basato su un'idea simile.
Il Motore Alcubierre è un concetto teorico che propone un metodo per il viaggio più veloce della luce deformando lo spazio-tempo. Secondo questa idea, un'astronave non viaggerebbe effettivamente più veloce della luce, ma creerebbe una "bolla" attorno a sé che contrae lo spazio-tempo davanti alla nave ed espande quello dietro. In questo modo, la nave si muoverebbe effettivamente attraverso lo spazio-tempo rimanendo ferma rispetto allo spazio all'interno della bolla. Affinché questo funzioni, la teoria suggerisce la necessità di materia esotica con energia negativa, che gli scienziati non hanno ancora trovato o creato. Puoi leggere di più sul Motore Alcubierre qui.
Star Trek e Motore a Curvatura
Sebbene gli scienziati non abbiano ancora risolto tutti gli ostacoli per costruire un Motore Alcubierre, torniamo a Star Trek e ai viaggi a velocità curvatura. In Star Trek, le navi stellari viaggiavano utilizzando motori a curvatura. Con l'avanzare della tecnologia, le velocità di curvatura sono diventate più veloci. Curvatura 1 equivale alla velocità della luce, Curvatura 2 è dieci volte più veloce della luce, Curvatura 3 è 39 volte più veloce, e così via. Abbiamo scelto tre famose navi stellari da Star Trek per le quali sono disponibili dati sulla loro velocità massima. Anche se le navi stellari nella serie non potevano viaggiare continuamente alla massima curvatura, ai fini dei nostri calcoli, utilizzeremo le velocità massime che sono in grado di raggiungere.
La Nave Stellare del Capitano Jonathan Archer da Star Trek: Enterprise
Questa nave ha la designazione NX-01. È la prima nave della serie Enterprise, cruciale nell'esplorazione dello spazio e nella creazione delle basi per la futura Federazione. La sua velocità massima è Warp 5, che è 214 volte più veloce della luce. Con questa Enterprise, raggiungere Plutone dalla Terra richiederebbe solo un minuto e mezzo. Ci vorrebbero sette giorni per raggiungere la stella più vicina, Proxima Centauri, e 15 anni per raggiungere il buco nero più vicino, V616. Raggiungere il centro della nostra galassia richiederebbe ben 121 anni, e ci vorrebbero incredibili 11.853.271 anni per viaggiare verso Andromeda.
Questa nave coprirebbe circa 17 anni luce alla velocità massima in 30 giorni. Entro 17 anni luce dalla Terra, ci sono circa 50–60 sistemi stellari con circa 100 stelle.
La Nave Stellare del Capitano Jean-Luc Picard da Star Trek: The Next Generation
La nave stellare del Capitano Jean-Luc Picard da Star Trek: The Next Generation si chiamava USS Enterprise (NCC-1701-D). Era la quinta nave della serie a portare il nome Enterprise ed è una delle navi più famose del franchise di Star Trek. La sua velocità massima è Warp 9.6, che è 1.909 volte più veloce della luce.
La Enterprise di Picard raggiungerebbe Proxima Centauri in sole 19 ore e 28 minuti, e ci vorrebbe circa un anno e nove mesi per raggiungere il buco nero V616 Monocerotis. Raggiungere il centro della nostra galassia richiederebbe 13 anni e sette mesi, e viaggiare verso Andromeda richiederebbe 1.328 anni.
In 30 giorni, questa nave potrebbe coprire 156 anni luce. Entro un raggio di 156 anni luce dalla Terra, ci sono circa 40.000-60.000 stelle.
La Nave Stellare del Capitano Kathryn Janeway da Star Trek: Voyager
La nave stellare del Capitano Kathryn Janeway da Star Trek: Voyager si chiama USS Voyager (NCC-74656). È una nave di classe Intrepid nota per la sua missione nel Quadrante Delta. La sua velocità massima è Warp 9.975, che è 5.126 volte più veloce della luce. Voyager raggiungerebbe Proxima Centauri in sole 7 ore. Ci vorrebbero sette mesi per raggiungere il buco nero V616 e cinque anni per raggiungere il centro della nostra galassia. Andromeda è ancora fuori portata, e ci vorrebbero 495 anni per arrivarci con questa nave stellare.
Alla velocità massima, in 30 giorni, questa nave stellare potrebbe coprire 421 anni luce. Entro un raggio di 421 anni luce dalla Terra, ci sono circa 1,25 milioni di stelle.
Il Futuro dei Viaggi Spaziali
La vastità dello spazio è un fattore limitante per i viaggi spaziali. Le navicelle spaziali che costruiamo attualmente possono raggiungere parti remote del sistema solare e oggetti come Plutone in 10 o più anni. I viaggi interstellari sono attualmente impraticabili, poiché ci vorrebbero 150.000 anni per la nostra navicella spaziale più veloce per raggiungere la stella più vicina e tornare. Per ora, siamo confinati a viaggiare all'interno del nostro sistema solare. Per i viaggi interstellari, la nostra tecnologia dovrebbe raggiungere almeno il 20% della velocità della luce affinché una sonda possa raggiungere la stella più vicina in circa 20 anni. Esistono piani per costruire una navicella spaziale che acceleri utilizzando potenti laser dalla Terra, ma dovremmo aspettare altri quattro anni per i dati che una tale sonda raccoglierebbe.
Galassia di Via Lattea e la vicina galassia di Andromeda. Credito: NASA Goddard
Per esplorare con successo le stelle più vicine, avremmo bisogno di una velocità vicina a quella della luce. Questo renderebbe circa 50 stelle entro 15 anni luce dalla Terra accessibili per la ricerca scientifica, anche se tali viaggi sarebbero molto lunghi e ci vorrebbero diversi decenni per ricevere i dati dalle sonde. Lo spazio è così vasto che anche le navicelle spaziali capaci di viaggiare alla velocità della luce ci permetterebbero di esplorare solo le stelle più vicine.
Se la velocità della luce è impossibile da raggiungere e i viaggi più veloci della luce non sono praticabili, la probabilità di incontrare mai una civiltà extraterrestre avanzata è estremamente bassa. L'universo potrebbe essere un insieme di vita, ma le immense distanze nello spazio rendono il contatto tra civiltà quasi impossibile, almeno nella nostra parte dell'universo. L'eccezione potrebbero essere le stelle all'interno di ammassi stellari, come gli ammassi globulari, dove le stelle possono essere vicine anche solo 0,1 anni luce. Tuttavia, anche una distanza così piccola è incredibilmente grande per una civiltà come la nostra. Voyager 1 impiegherebbe circa 1.769 anni per raggiungere una stella che si trova a 0,1 anni luce di distanza.
I Viaggi Più Veloci della Luce Sono Possibili?
Teoricamente, i viaggi più veloci della luce sono affascinanti, ma secondo le leggi scientifiche attuali, in particolare la teoria della relatività di Einstein, è impossibile per gli oggetti con massa muoversi più velocemente della luce. Tuttavia, diverse idee teoriche suggeriscono la possibilità di "sorpassare" questa limitazione:
Propulsore Alcubierre
Questo concetto, proposto dal fisico Miguel Alcubierre nel 1994, si basa sulla creazione di una "bolla" attorno a una navicella spaziale, all'interno della quale lo spazio-tempo rimane intatto. La bolla contrarrebbe lo spazio davanti alla nave ed espanderebbe quello dietro, consentendo di fatto viaggi più veloci della luce. La navicella spaziale non si muoverebbe effettivamente attraverso lo spazio più velocemente della luce, ma lo spazio attorno ad essa sarebbe deformato. Il problema è che questo richiederebbe l'uso di materia esotica con energia negativa, che non è ancora stata provata o scoperta.
Singolarità
Le singolarità sono tunnel ipotetici attraverso lo spazio-tempo che potrebbero collegare punti distanti nell'universo. Viaggiare attraverso una singolarità potrebbe consentire un efficace "scorciatoia" attraverso lo spazio, il che significa che un viaggiatore non dovrebbe percorrere l'intera distanza tra due punti.
Sebbene le singolarità siano matematicamente possibili all'interno della relatività generale, non ci sono prove che esistano o che rimarrebbero stabili a lungo per un uso pratico. Inoltre, la loro manutenzione potrebbe richiedere materia esotica.
Tachioni
Secondo la teoria, i tachioni sono particelle ipotetiche che si muovono sempre più veloci della luce. Tuttavia, la loro esistenza non è stata provata. Se i tachioni esistessero, violerebbero alcune leggi fondamentali della fisica, come la causalità, il che potrebbe portare a paradossi, come viaggiare all'indietro nel tempo.
Motore a Curvatura
In Star Trek, il motore a curvatura utilizza un concetto simile al Motore di Alcubierre, dove l'astronave non viaggia più veloce della luce nel senso tradizionale, ma deforma lo spazio-tempo attorno ad essa. Sebbene sia fiction, questa idea ha ispirato fisici del mondo reale a esplorare le possibilità di deformare lo spazio-tempo.
Spazi Quasicristallini o Dimensioni Superiori
In alcune teorie, come la teoria delle stringhe, l'universo ha più dimensioni di quelle che possiamo percepire. Viaggiare attraverso dimensioni superiori potrebbe consentire "scorciatoie" nello spazio tridimensionale. Questa idea è ancora altamente speculativa ma teoricamente intrigante.
Sebbene queste idee siano interessanti, la maggior parte di esse è ancora nel regno della teoria e della fantascienza. Attualmente, non abbiamo la tecnologia o i materiali necessari per realizzare viaggi più veloci della luce, ma la ricerca in corso sulla materia esotica, lo spazio-tempo e la fisica quantistica continua a offrire nuove possibilità per il futuro.