Mensen hebben altijd gedroomd van reizen door de ruimte, gefascineerd door onbekende werelden en de wens om verre sterrenstelsels te verkennen. Het grootste obstakel voor ruimtevaart zijn de enorme afstanden. In dit artikel bespreken we de immense afstanden in de ruimte en de tijd die nodig is om verre sterren en objecten te bereiken met ruimtevaartuigen die verschillende snelheden hebben. Om te illustreren hoe uitgestrekt de ruimte is, hebben we berekend hoe lang het zou duren om enkele hemellichamen te bereiken met een auto en het snelste ruimtevaartuig dat de mensheid heeft gebouwd. We hebben ook berekend hoe ver we zouden kunnen reizen met de snelheid van het licht. Hoewel de snelheid van het licht niet voldoende is om ver de ruimte in te reizen, hebben we ons gewend tot de sciencefictionserie Star Trek, waar ruimtevaartuigen snelheden bereiken die veel sneller zijn dan het licht met behulp van de fictieve Warp-aandrijving.
Een auto die constant 130 km/u (80 mph) rijdt
Laten we ons voorstellen dat we door de ruimte kunnen reizen in een auto. In veel landen over de wereld is de maximaal toegestane snelheid op snelwegen 130 km/u of 80 mph, dus we hebben deze snelheid gebruikt voor onze berekeningen. Een auto zou uiteindelijk de Maan kunnen bereiken, wat ongeveer 123 dagen zou duren. Naar Mars zou de reis een lange 48 jaar duren wanneer het het dichtst bij de aarde is en tot 352 jaar wanneer het op de grootste afstand is. De New Horizons-ruimtesonde deed er 9,5 jaar over om Pluto te bereiken, een dwergplaneet aan de rand van het zonnestelsel. Met een auto zou deze reis minstens 3.750 jaar duren. Proxima Centauri is de dichtstbijzijnde ster bij de aarde, die 4,24 lichtjaar verwijderd is. Het zou 35 miljoen jaar duren om deze ster met een auto te bereiken.
Pluto Kleurrijke Compositie. Credits: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Voyager 1 – Het snelste door de mens gemaakte ruimtevaartuig dat door de ruimte reist
Voyager 1, gelanceerd in 1977, is het snelste ruimtevaartuig dat ooit door de mensheid is gemaakt en reist door de ruimte met een snelheid van ongeveer 61.000 km/u (ongeveer 38.000 mijl per uur). Voyager 1 is echter niet het snelste ruimtevaartuig dat ooit is gebouwd. De Parker Solar Probe bereikt snelheden van 700.000 km/u (ongeveer 430.000 mijl per uur), maar die snelheid wordt alleen bereikt wanneer het het dichtst bij de zon passeert, gebruikmakend van de zwaartekracht van de zon om te versnellen. Aan de andere kant reist Voyager 1 door de ruimte en is momenteel het meest verre door de mens gemaakte object.
Voyager 1 betreedt interstellaire ruimte, artistieke concept. Credits: NASA/JPL-Caltech
Hoe snel is Voyager 1, en hoe lang zou het duren om uitgestrekte kosmische afstanden te overbruggen? Voyager 1 zou de Maan in ongeveer 6 uur kunnen bereiken met zijn huidige snelheid. Van de Aarde naar Mars zou het een acceptabele 37 dagen duren wanneer Mars het dichtst bij de Aarde staat, en de reis naar het verre Pluto zou acht jaar duren. Om Proxima Centauri, de dichtstbijzijnde ster bij de Aarde, te bereiken zou een verbijsterende 75.000 jaar duren. Uit deze berekeningen blijkt dat onze huidige technologische mogelijkheden nauwelijks voldoende zijn voor het verkennen van het zonnestelsel en alleen zonder een bemanning. Misschien kunnen we in de nabije toekomst een bemanning naar Mars sturen, de planeet die het dichtst bij de Aarde ligt. Voor nu is onze technologie niet geavanceerd genoeg om sondes naar de dichtstbijzijnde sterren te sturen.
Reizen met de Snelheid van Licht
De snelheid van licht in een vacuüm is ongeveer 299.792 km/s (ongeveer 186.282 mijl/s), wat gelijkstaat aan ongeveer 1,08 miljard km/h (ongeveer 671 miljoen mijl per uur). Volgens de wetten van de natuurkunde, zoals beschreven door Einsteins relativiteitstheorie, is dit de hoogst mogelijke snelheid.
Een Ketel van Sterren in het Galaxiecentrum. Bron: NASA/JPL-Caltech
Volgens de relativiteit is het theoretisch onmogelijk voor objecten met massa, zoals ruimtevaartuigen of mensen, om met de snelheid van licht te reizen. Naarmate de snelheid van een object toeneemt, groeit de massa effectief, wat steeds meer energie vereist om verder te versnellen. Om een massief object naar de snelheid van licht te versnellen, zou oneindige energie vereist zijn, waardoor een dergelijke reis volgens de huidige wetenschappelijke inzichten onmogelijk is.
Laten we de wetten van de natuurkunde voor een moment negeren en aannemen dat reizen met de snelheid van licht mogelijk is. Als de mensheid over een ruimtevaartuig beschikte dat in staat was om met lichtsnelheid te reizen, hoe ver zouden we dan in de ruimte kunnen gaan? Zou het hele universum dan binnen ons bereik liggen? Dit is wat we hebben berekend.
Met de snelheid van licht zou het slechts 1,28 seconden duren om de Maan te bereiken, 3 minuten om Mars te bereiken, en 4 uur om Pluto te bereiken. De snelheid van licht zou ideaal zijn voor snelle reizen binnen het zonnestelsel. Maar is de lichtsnelheid voldoende voor interstellaire reizen? Proxima Centauri, de dichtstbijzijnde ster bij ons, ligt 4,24 lichtjaar verderop. Dit betekent dat licht 4,24 jaar nodig heeft om Proxima Centauri te bereiken, en de terugreis zou dezelfde tijd duren. Dergelijke reizen zouden mogelijk kunnen zijn met bemande crews, maar de passagiers op een dergelijk ruimtevaartuig zouden een aanzienlijk deel van hun leven in de ruimte moeten doorbrengen.
Er zijn ongeveer 50 sterren binnen een straal van ongeveer 15 lichtjaar van de Aarde. Een ruimtevaartuig dat met de snelheid van licht kan reizen, zou het mogelijk maken om dit deel van de ruimte te verkennen, waarschijnlijk met onbemande sondes. We kunnen concluderen dat de lichtsnelheid voldoende is voor reizen naar de dichtstbijzijnde sterren, maar reizen naar de verre uithoeken van onze Melkweg of andere sterrenstelsels zou onmogelijk zijn vanwege de tijd die dergelijke reizen zouden vergen.
Bijvoorbeeld, het dichtstbijzijnde zwarte gat, V616 Monocerotis, is 3.300 lichtjaar van de aarde verwijderd, dus het zou ons evenveel jaren kosten om het te bereiken met de lichtsnelheid. Duidelijk is dat zo'n reis niet haalbaar of logisch is.
Om het centrum van onze melkweg te bereiken, zou het ons 26.000 jaar kosten, en een reis naar Andromeda, de dichtstbijzijnde spiraalgalaxie, zou een verbazingwekkende 2.537.000 jaar duren.
Reizen Sneller Dan Licht
In de wereldwijd beroemde sciencefictionfranchise Star Trek reizen ruimteschepen met snelheden die veel sneller zijn dan de lichtsnelheid. Dit wordt mogelijk gemaakt door de fictieve warp drive. De warp drive in Star Trek stelt sterrenstelsels in staat om sneller dan het licht te reizen door een "bel" te creëren die de ruimte-tijd rond het schip vervormt. Op deze manier schendt het schip de wet van sneller dan licht reizen binnen de ruimte niet, maar verplaatst het de ruimte-tijd om zich heen. Hoewel deze aandrijving fictief is, hebben wetenschappers een theoretisch model ontwikkeld van een aandrijving gebaseerd op een vergelijkbaar idee.
De Alcubierre Drive is een theoretisch concept dat een methode voor sneller dan licht reizen voorstelt door ruimte-tijd te vervormen. Volgens dit idee zou een ruimteschip niet daadwerkelijk sneller dan het licht reizen, maar het zou een "bel" om zichzelf creëren die de ruimte-tijd voor het schip samentrekt en erachter uitbreidt. Op deze manier zou het schip effectief door de ruimte-tijd bewegen terwijl het stationair blijft ten opzichte van de ruimte binnen de bel. Voor dit concept is er volgens de theorie behoefte aan exotische materie met negatieve energie, die wetenschappers nog moeten vinden of creëren. Je kunt meer lezen over de Alcubierre Drive hier.
Star Trek en Warp Drive
Hoewel wetenschappers nog niet alle obstakels voor het bouwen van een Alcubierre Drive hebben opgelost, laten we terugkeren naar Star Trek en reizen met warp-snelheid. In Star Trek reisden ruimteschepen met behulp van warp drives. Naarmate de technologie vorderde, werden de warp-snelheden sneller. Warp 1 is gelijk aan de lichtsnelheid, Warp 2 is tien keer sneller dan de lichtsnelheid, Warp 3 is 39 keer sneller, enzovoort. We hebben drie beroemde ruimteschepen uit Star Trek gekozen waarvoor gegevens over hun maximale snelheid beschikbaar zijn. Hoewel de ruimteschepen in de serie niet continu met maximale warp konden reizen, zullen we voor de berekeningen de maximale snelheden gebruiken die ze kunnen bereiken.
Het ruimteschip van Captain Jonathan Archer uit Star Trek: Enterprise
Dit schip heeft de aanduiding NX-01. Het is het eerste schip in de Enterprise-serie, cruciaal voor het verkennen van de ruimte en het leggen van de basis voor de toekomstige Federatie. De maximale snelheid is Warp 5, wat 214 keer sneller is dan de snelheid van het licht. Met deze Enterprise zou het slechts anderhalve minuut duren om Pluto vanaf de aarde te bereiken. Het zou zeven dagen duren om de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, te bereiken en 15 jaar om het dichtstbijzijnde zwarte gat, V616, te bereiken. Het bereiken van het centrum van onze melkweg zou maar liefst 121 jaar duren, en het zou ongelooflijke 11.853.271 jaar duren om naar Andromeda te reizen.
Dit schip zou ongeveer 17 lichtjaar met maximale snelheid in 30 dagen afleggen. Binnen 17 lichtjaar van de aarde zijn er ongeveer 50–60 sterrenstelsels met ongeveer 100 sterren.
Het ruimteschip van Captain Jean-Luc Picard uit Star Trek: The Next Generation
Het ruimteschip van Captain Jean-Luc Picard uit Star Trek: The Next Generation heette USS Enterprise (NCC-1701-D). Het was het vijfde schip in de lijn dat de naam Enterprise droeg en is een van de meest beroemde schepen in de Star Trek franchise. De maximale snelheid is Warp 9.6, wat 1.909 keer sneller is dan de snelheid van het licht.
Picard's Enterprise zou Proxima Centauri in slechts 19 uur en 28 minuten bereiken, en het zou ongeveer één jaar en negen maanden duren om het zwarte gat V616 Monocerotis te bereiken. Het bereiken van het centrum van onze melkweg zou 13 jaar en zeven maanden duren, en reizen naar Andromeda zou 1.328 jaar duren.
In 30 dagen zou dit schip 156 lichtjaar kunnen afleggen. Binnen een straal van 156 lichtjaar van de aarde zijn er ongeveer 40.000 tot 60.000 sterren.
Het ruimteschip van Captain Kathryn Janeway uit Star Trek: Voyager
Het ruimteschip van Captain Kathryn Janeway uit Star Trek: Voyager heet USS Voyager (NCC-74656). Het is een Intrepid-klasse schip dat bekend staat om zijn missie in het Delta Kwadrant. De maximale snelheid is Warp 9.975, wat 5.126 keer sneller is dan de snelheid van het licht. Voyager zou Proxima Centauri in slechts 7 uur bereiken. Het zou zeven maanden duren om het zwarte gat V616 te bereiken en vijf jaar om het centrum van onze melkweg te bereiken. Andromeda is nog steeds buiten bereik, en het zou dit ruimteschip 495 jaar kosten om daar te komen.
Bij maximale snelheid zou dit ruimteschip in 30 dagen 421 lichtjaar kunnen afleggen. Binnen een straal van 421 lichtjaar van de aarde zijn er ongeveer 1,25 miljoen sterren.
De Toekomst van Ruimtetoerisme
De uitgestrektheid van de ruimte is een beperkende factor voor ruimtereizen. De ruimteschepen die we momenteel bouwen, kunnen verre delen van het zonnestelsel en objecten zoals Pluto in 10 jaar of meer bereiken. Interstellaire reizen zijn momenteel niet haalbaar, omdat het onze snelste ruimteschepen 150.000 jaar zou kosten om de dichtstbijzijnde ster te bereiken en terug te keren. Voorlopig zijn we beperkt tot reizen binnen ons zonnestelsel. Voor interstellaire reizen zou onze technologie minstens 20% van de lichtsnelheid moeten bereiken, zodat een sonde de dichtstbijzijnde ster in ongeveer 20 jaar kan bereiken. Er bestaan plannen voor het bouwen van een dergelijk ruimteschip dat zou versnellen met behulp van krachtige lasers vanaf de aarde, maar we zouden nog vier jaar moeten wachten op de gegevens die een dergelijke sonde zou verzamelen.
Melkwegstelsel en het naburige Andromedastelsel. Bron: NASA Goddard
Om met succes de dichtstbijzijnde sterren te verkennen, zouden we een snelheid dicht bij de lichtsnelheid nodig hebben. Dit zou ongeveer 50 sterren binnen 15 lichtjaar van de aarde toegankelijk maken voor wetenschappelijk onderzoek, hoewel dergelijke reizen zeer lang zouden zijn en het enkele decennia zou duren om gegevens van de sondes te ontvangen. De ruimte is zo uitgestrekt dat zelfs ruimteschepen die in staat zijn om met de lichtsnelheid te reizen, ons alleen zouden toestaan om de dichtstbijzijnde sterren te verkennen.
Als de lichtsnelheid onmogelijk te bereiken is en reizen sneller dan het licht niet haalbaar is, is de kans om ooit een geavanceerde buitenaardse beschaving tegen te komen extreem laag. Het universum kan vol leven zijn, maar de immense afstanden in de ruimte maken contact tussen beschavingen bijna onmogelijk, althans in ons deel van het universum. De uitzondering zou sterren binnen sterrenclusters kunnen zijn, zoals bolvormige clusters, waar sterren zo dicht bij elkaar kunnen staan als 0,1 lichtjaar. Echter, zelfs zo'n kleine afstand is ongelooflijk groot voor een beschaving zoals de onze. Voyager 1 zou ongeveer 1.769 jaar nodig hebben om een ster te bereiken die 0,1 lichtjaar verwijderd is.
Zijn Reizen Sneller Dan Licht Mogelijk?
Theoretisch gezien is reizen sneller dan het licht fascinerend, maar volgens de huidige wetenschappelijke wetten, vooral de relativiteitstheorie van Einstein, is het onmogelijk voor objecten met massa om sneller dan het licht te bewegen. Er zijn echter verschillende theoretische ideeën die de mogelijkheid suggereren om deze beperking te "omzeilen":
Alcubierre Aandrijving
Dit concept, voorgesteld door de natuurkundige Miguel Alcubierre in 1994, is gebaseerd op het creëren van een "bel" rond een ruimteschip, waarin de ruimte-tijd intact blijft. De bel zou de ruimte voor het schip samenpersen en erachter uitbreiden, waardoor effectief reizen sneller dan het licht mogelijk zou worden. Het ruimteschip zou niet daadwerkelijk sneller dan het licht door de ruimte bewegen, maar de ruimte eromheen zou vervormd worden. Het probleem is dat dit het gebruik van exotische materie met negatieve energie zou vereisen, wat nog niet is bewezen of ontdekt.
Wormgaten
Wormgaten zijn hypothetische tunnels door de ruimte-tijd die verre punten in het universum met elkaar zouden kunnen verbinden. Reizen door een wormgat zou een effectieve "afkorting" door de ruimte kunnen bieden, wat betekent dat een reiziger niet de volledige afstand tussen twee punten hoeft te overbruggen.
Hoewel wormgaten wiskundig mogelijk zijn binnen de algemene relativiteitstheorie, is er geen bewijs dat ze bestaan of lang genoeg stabiel zouden blijven voor praktisch gebruik. Bovendien zou hun onderhoud exotische materie kunnen vereisen.
Tachyonen
Volgens de theorie zijn tachyonen hypothetische deeltjes die altijd sneller dan het licht bewegen. Hun bestaan is echter niet bewezen. Als tachyonen zouden bestaan, zouden ze enkele fundamentele natuurwetten, zoals causaliteit, schenden, wat zou kunnen leiden tot paradoxen, zoals terugreizen in de tijd.
Warp Aandrijving
In Star Trek gebruikt de warp aandrijving een concept dat vergelijkbaar is met de Alcubierre Drive, waarbij het ruimteschip niet sneller dan het licht reist in de traditionele zin, maar in plaats daarvan de ruimte-tijd om zich heen vervormt. Hoewel fictief, heeft dit idee echte natuurkundigen geïnspireerd om de mogelijkheden van het vervormen van ruimte-tijd te verkennen.
Quasicrystal Ruimtes of Hogere Dimensies
In sommige theorieën, zoals de snaartheorie, heeft het universum meer dimensies dan we kunnen waarnemen. Reizen door hogere dimensies zou "afkortingen" in de driedimensionale ruimte kunnen mogelijk maken. Dit idee is nog steeds zeer speculatief maar theoretisch intrigerend.
Hoewel deze ideeën interessant zijn, bevinden de meeste zich nog in het domein van theorie en sciencefiction. Momenteel hebben we niet de technologie of materialen die nodig zijn om sneller-dan-het-licht reizen te realiseren, maar voortdurende onderzoeken naar exotische materie, ruimte-tijd en kwantumfysica blijven nieuwe mogelijkheden voor de toekomst bieden.