En 1948-49, el matemático, físico, científico informático e ingeniero John von Neumann presentó al mundo su idea de los “ensambladores universales”, una especie de robots autorreplicantes.
Las ideas y notas de Von Neumann se recopilaron más tarde en un libro titulado “ Teoría de los autómatas que se reproducen a sí mismos ”, publicado en 1966 (después de su muerte). Con el tiempo, esta teoría tendría implicaciones para la Búsqueda de inteligencia extraterrestre (SETI), y los teóricos afirman que la inteligencia avanzada ya debe haber desplegado tales sondas.
Las razones y los desafíos técnicos de tomar la ruta de la sonda autorreplicante se exploran en un artículo reciente de Gregory L. Matloff , profesor asociado en el Colegio de Tecnología de la Ciudad de Nueva York (NYCCT). Además de explorar por qué una especie avanzada optaría por explorar la galaxia usando sondas Von Neumann (que podrían incluirnos algún día), exploró posibles métodos para viajes interestelares, estrategias de exploración y dónde se podrían encontrar estas sondas.
Su artículo, ” Sondas de Von Neumann: tiempo de transferencia interestelar de propulsión racional “, se publicó recientemente en el International Journal of Astrobiology , una publicación de la Universidad de Cambridge. Además de ser profesor adjunto y emérito de física en NYCCT, Matloff es miembro de la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS), miembro de la Academia Internacional de Astronáutica (IAA) y ha sido consultor de la NASA Marshall Space Flight.
Su investigación pionera en tecnología de velas solares ha sido utilizada por la NASA para desarrollar conceptos para sondas interestelares y desviar objetos potencialmente peligrosos (PHO), en otras palabras, asteroides. Sus escritos han ayudado a establecer los estudios de propulsión interestelar como una subdivisión de la física aplicada en el mundo académico. También es coautor de libros con otras luminarias como el escritor científico del MIT Dr. Eugene Mallove, el destacado físico, autor y tecnólogo de la NASA Les Johnson, y el investigador italiano Dr. Giovanni Vulpetti.
En abril de 2016, Matloff fue nombrado asesor de Breakthrough Starshot de Yuri Milner junto con otros astrofísicos como el Prof. Abraham Loeb (Centro Smithsonian de Astrofísica de Harvard) y el Dr. Philip Lubin, líder del Grupo de Cosmología Experimental en UC Santa Barbara. En enero de 2017, presentó una conferencia Frontiers Lecture sobre viajes interestelares en el Museo Americano de Historia Natural de Manhattan, donde también es asociado de Hayden.
¿Alguien por ahí?
Es esencial abordar preguntas sobre las sondas de Von Neumann, considerando sus implicaciones para SETI y la paradoja de Fermi . Durante décadas, los físicos teóricos y los investigadores han utilizado la posible existencia de sondas de Von Neumann para limitar la búsqueda de inteligencia más allá de la Tierra. Como Matloff le dijo a Universe Today a través de Zoom, el camino que nos trajo a este punto fue largo y sinuoso y fue más allá de una sola persona.
Según explicó, la conexión entre la idea de Von Neumann de los “ensambladores universales” y la exploración espacial surgió en algún momento de la década de 1970. Esto se debió en gran parte a estudios interestelares como el Proyecto Daedalus , un concepto de cohete de fusión desarrollado por la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS) entre 1973 y 1977. En medio del debate sobre si tales misiones deberían ser tripuladas o robóticas, surgió la idea de la sonda Von Neumann. fue revivido y aplicado.
En poco tiempo, apareció la vieja sierra SETI, donde la capacidad de la humanidad para concebir una idea se ve como una posible indicación de que una especie más antigua y avanzada podría haberlo hecho ya. Como Michael Hart y Frank Tipler señalaron en sus respectivos estudios, el hecho de que no veamos evidencia de sondas interestelares extraterrestres es la evidencia más convincente de que la humanidad está sola en el Universo. Esta es la base de la conjetura de Hart-Tipler , la resolución propuesta más antigua conocida para la paradoja de Fermi.
Según Tipler , si las ETI existieran, habrían desarrollado la capacidad de viajes interestelares y explorado la Vía Láctea dentro de unos 300 millones de años:
“Lo que se necesita es un constructor universal autorreproductor, que es una máquina capaz de hacer cualquier dispositivo, dados los materiales de construcción y un programa de construcción… En particular, es capaz de hacer una copia de sí misma. Von Neumann ha demostrado que tal máquina es teóricamente posible… A medida que se hicieran las copias de la sonda espacial, serían lanzadas a las estrellas más cercanas a la estrella objetivo. Cuando estas sondas alcanzaran estas estrellas, el proceso se repetiría, y así sucesivamente hasta que las sondas hubieran cubierto todas las estrellas de la Galaxia”.
Comparación de la nave espacial Daedalus y el cohete Saturn V Moon. Crédito/derechos de autor: Adrian Mann.
El afamado astrónomo y comunicador científico Carl Sagan refutó sus conclusiones unos años más tarde en un ensayo titulado “ El enfoque solipsista de la inteligencia extraterrestre ”. En este famoso artículo (apodado “La respuesta de Sagan”), él y el coautor William Newman declararon que, si bien había una aparente ausencia de sondas y otras maravillas tecnológicas, esto no era de ninguna manera concluyente. Como resumieron poéticamente: “la ausencia de evidencia no es la evidencia de la ausencia”.
Matloff también critica la conjetura de Hart-Tipler en su artículo por su naturaleza simplista y presuntuosa. Como explicó a Universe Today por correo electrónico:
“El Sistema Solar es enorme y en su mayor parte inexplorado, y las sondas podrían ser muy pequeñas. Podría haber sondas en todas partes: en los cráteres de la Luna o al acecho en el cinturón de asteroides y el cinturón de Kuiper. Hay 100 millones de objetos solo en el Cinturón de Kuiper y hemos examinado solo dos, uno de los cuales tenía una forma muy anómala”.
El objeto al que se refiere es MU69 (también conocido como Arrokoth), un “binario de contacto” que New Horizons estudió durante su histórico sobrevuelo el 1 de enero de 2019. Como mostraron las imágenes adquiridas, el objeto parecía ser dos cuerpos helados que “se forman panqueques”. en forma de “” (redondeado por aplanado) y conectado por un “cuello”. Esta extraña apariencia llevó al investigador principal de New Horizons , Alan Stern, a apodar al objeto “Muñeco de nieve”.
En resumen, la humanidad apenas ha arañado la superficie en lo que respecta a la exploración cósmica, incluido nuestro patio trasero. Por lo que sabemos, podría haber innumerables sondas acechando en nuestro Sistema Solar observándonos activamente, o que se volvieron inoperables hace mucho tiempo y desde entonces se han establecido en órbita alrededor del Sol. ¡La única forma de resolver las preguntas relacionadas con las sondas de Von Neumann (y la paradoja de Fermi) es refinar nuestros métodos de búsqueda y seguir buscando!
Métodos de propulsión
Como mencionamos en un artículo anterior , ¡viajar por el espacio interestelar requiere mucho tiempo! Usando tecnología convencional, tomaría entre 19,000 y 81,000 años llegar incluso al sistema estelar más cercano (Alpha Centauri). Esto incluye propulsores químicos, propulsores de efecto Hall (motores iónicos), asistencias por gravedad y velas solares. Por lo tanto, se deben considerar métodos de propulsión más avanzados al abordar los viajes interestelares.
Muchos conceptos están siendo investigados actualmente por investigadores aquí en la Tierra. Estos incluyen propulsión nuclear-térmica y nuclear-eléctrica (NTP/NEP), propulsión por fusión, velas eléctricas y de fotones , aniquilación de materia/antimateria, e incluso algunos conceptos verdaderamente exóticos (como el Alcubierre Warp Drive ). De acuerdo con la idea de que la humanidad es una llegada reciente al Universo, los investigadores de SETI asumen que es probable que civilizaciones más avanzadas ya hayan investigado estos conceptos.
Primero, Matloff considera las ayudas de gravedad sin energía, donde las naves espaciales usan la fuerza gravitatoria de los planetas gigantes para alcanzar velocidades más altas. Hasta la fecha, se han lanzado cinco sondas espaciales desde la Tierra que utilizaron una maniobra asistida por gravedad para lograr la velocidad de escape del Sistema Solar. Estos incluyen el Pioneer 10/11 , el Voyager 1/2 y la misión New Horizons . La más rápida de estas misiones ( Voyager 1 ) llegará al sistema estelar Alfa Centauri en unos 70.000 años según su velocidad actual.
Las asistencias mecánicas de gravedad, también conocidas como ” maniobras de Oberth “, consisten en una nave espacial que realiza una maniobra mecánica mientras se encuentra en lo profundo del pozo de gravedad de un planeta masivo. Según Matloff, tal maniobra podría permitir que una nave espacial alcance el doble de la velocidad de la misión Voyager 1 (41 km/s; 25,5 mi/s) y haga el viaje a Alpha Centauri en aproximadamente 30.570 años.
Cuando se ajusta a los conceptos de fusión y fisión nuclear (utilizando la investigación de la NASA como plantilla), Matloff concluye que una nave espacial nuclear-eléctrica podría atravesar una luz en 1500 años, mientras que una nave espacial de fusión podría hacer lo mismo en 3000 años. Eso equivale a un tiempo de tránsito en un solo sentido de 6550 y 13 100 años a Alpha Centauri, respectivamente.
En función de varios factores, como el material de la vela y si la sonda está “nanominiaturizada”, Matloff estima que las velas eléctricas y de fotones podrían alcanzar velocidades relativistas (una fracción de la velocidad de la luz) y hacer el tránsito en 1000 años. Esto es considerablemente más largo que el concepto Breakthrough Starshot , que requiere velocidades de 0,2 c y un tiempo de tránsito de solo 20 años. Sin embargo, esto se basa en una velocidad estimada de 300 km/s (186 mi/s) y no en el ambicioso objetivo de Starshot de 60 000 km/s (37 280 mi/s).
El estudio de Matloff no proporciona estimaciones para la propulsión de antimateria porque la tecnología aún no es factible. Según un informe preparado por el científico de la NASA Robert Frisbee para la 39.ª Conferencia y Exhibición Conjunta de Propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE (2003), un cohete de dos etapas podría llegar a Alpha Centauri en unos 40 años. Sin embargo, Frisbee indicó que la nave espacial necesitaría más de 815 000 toneladas métricas (900 000 toneladas estadounidenses) de combustible.
Concepto artístico de una nave de vela ligera que se acerca al exoplaneta potencialmente habitable Próxima b. Crédito: PHL @ UPR Arecibo
No se consideran conceptos FTL precisamente por la misma razón (es decir, la tecnología no es verificable y es posible que nunca lo sea). Mientras tanto, la estimación de las sondas de fotones se basa en varios factores, predominantemente los tipos de materiales utilizados para la vela. Matloff dijo:
“Se asumieron valores conservadores para las velas. Por ejemplo, la infraestructura industrial necesaria para producir una vela de aluminio más lenta es mucho más simple que la infraestructura requerida para producir una vela de grafeno más rápida. Una vela de grafeno podría hacer esto en ~1000 años a una velocidad de crucero interestelar superior a 1000 km/s. Mi estimación del viaje multimilenario de las velas de fotones solares a ~300 km/s es para la vela de aluminio mucho más conservadora. Se necesitaría menos infraestructura industrial para el Al que para el grafeno.
Estrategias de lanzamiento
En términos de lógica, Matloff explora muchas posibilidades de por qué una civilización lanzaría una flota de sondas Von Neumann. En esta sección, muchos de los argumentos presentados por los teóricos que han explorado cuestiones relacionadas con las “pruebas extraterrestres”. Estos incluyen la conjetura de Hart-Tipler , la hipótesis de Berserker y otras investigaciones que intentaron imponer restricciones a sus tasas de reproducción y expansión.
Entre las razones más populares que se han explorado se incluye la “vida después de la muerte”, donde una civilización avanzada que se enfrenta a una desaparición inminente enviaría sondas para transmitir mensajes. Estos podrían incluir historias de sus logros (“¡mira nuestros trabajos y quedarás impresionado!”), instrucciones sobre cómo evitar el mismo destino (“¡no es demasiado tarde!”), o simplemente anuncios de su existencia (“¡Esto es lo que ¡Recuérdanos!”).
También existe la posibilidad de que las sondas tomen la forma de “acechadores benignos” que observan el planeta Tierra desde la distancia. Estas sondas podrían haber sido enviadas desde un sistema estelar cercano, ya que pasó cerca de nuestro Sistema Solar (Benford, 2021a , 2021b ). Una variante de esto, “merodeadores malignos”, sugiere que los extraterrestres podrían enviar sondas armadas (también conocidas como “sondas berserker”) para investigar la Tierra como una amenaza potencial y destruirla.
También se ha aventurado que algunas de estas sondas aún podrían estar aquí, probablemente en la Luna, los troyanos de la Tierra y los objetos coorbitales de la Tierra, y serían objetivos viables en la Búsqueda de Artefactos Extraterrestres (SETA). Los ejemplos incluyen estudios recientes de Jim Benford , el profesor Abraham Loeb , Konstantin Batygin y la Iniciativa para estudios interestelares (i4is) que muestran cómo los objetos interestelares (ISO) como ‘Oumuamua y 2I/Borisov ingresan regularmente a nuestro Sistema Solar y son capturados periódicamente .
Cohete de antimateria de propulsión teórica propuesta . Crédito: Dr. Mike LaPointe / NASA Marshall Flight Center
Investigaciones relacionadas también han demostrado que el estudio de los ISO capturados (y los recién llegados) será posible en un futuro cercano gracias al Observatorio Vera C. Rubin e iniciativas como Breakthrough Listen y el Proyecto Galileo . Otro motivo es la panspermia dirigida, donde una civilización avanzada puede optar por renunciar a enviar naves tripuladas a estrellas distantes (lo que podría llevar miles de años) y en su lugar enviar naves espaciales equipadas con “bancos de genes” u óvulos fertilizados.
Matloff cita el libro de Tipler de 1994, The Physics of Immortality , donde explicó cómo los humanos podrían lograr algún día la colonización interestelar con sondas. Como lo resume Matloff, “una sonda Von Neumann podría transportar óvulos humanos fertilizados para ser criados robóticamente y poblar hábitats en el espacio que giran alrededor de estrellas cercanas que serían construidos por la sonda. Una civilización más avanzada podría reemplazar los embriones con cargas informáticas de ‘esencias’ humanas”.
En los últimos años, Claudius Gros, investigador del Instituto de Física Teórica de la Universidad Goethe y fundador del Proyecto Génesis, ha propuesto una idea similar. El propósito de Génesis es enviar naves espaciales con fábricas de genes o cápsulas criogénicas a planetas “habitables transitoriamente” que orbitan estrellas de tipo M (enanas rojas). Esto se refiere a planetas rocosos con atmósferas ricas en oxígeno abiótico (no producido biológicamente) que estarían deshabitados pero aún serían capaces de albergar vida.
Al “sembrar” estos mundos con vida básica, se podrían desarrollar biomas completos en lugares donde de otro modo no surgiría la vida. “Si la vida resulta ser un fenómeno muy raro en el Universo, una civilización espacial podría desplegar sondas Von Neumann con un propósito mucho más feliz”, escribe Matloff. “Simplemente, las formas de vida podrían ‘plantarse’ dentro de los océanos en mundos estériles que contienen agua para propagar la vida a través del Universo”.
Una posibilidad final que considera Matloff ha sido explorada extensamente en la ciencia ficción: ¿podrían las ETI avanzadas enviar sondas para dirigir la evolución galáctica o universal? Una versión popular de este escenario conocida como “paleocontacto” argumenta que la vida avanzada pudo haber visitado la Tierra en el pasado y deliberadamente dirigió la evolución cultural (o incluso física) de la humanidad ( 2001: A Space Odyssey , Prometheus , Stargate, etc.).
Representación gráfica de las distancias relativas entre las estrellas más cercanas y el Sol. Crédito: IEEC/Science-Wave/Guillem Ramisa
Si bien algunas versiones de este argumento son pura pseudoarqueología (es decir, “los extraterrestres construyeron las pirámides”), Carl Sagan argumentó que el paleocontacto es algo que los científicos no deberían descartar. Como él y Iosif Shklovsky afirmaron en su libro seminal, Vida inteligente en el universo , la evidencia de este contacto puede conservarse en las tradiciones orales de las culturas antiguas. Como ejemplos, citan el folclore rumano y la historia tlingit de su encuentro con la expedición de La Perouse en 1786.
Si bien estos escenarios son plausibles a su manera, todos tienen implicaciones en lo que respecta a la investigación de SETI, que Matloff aborda en la sección final de su estudio.
¿Algún lugar cercano?
Al final, Matloff concluye que los astrónomos humanos pueden sentirse obligados a enfocarse en estrellas similares al Sol cuando buscan evidencia de sondas de Von Neumann. Este es quizás el resultado de un sesgo centrado en el sol, donde asumimos que las estrellas de tipo G (enanas amarillas) tienen más probabilidades de albergar planetas habitables porque eso es con lo que estamos familiarizados. Las implicaciones de esto podrían ser que los ETI avanzados sufran el mismo sesgo y prefieran enviar sus sondas a estrellas similares a las suyas.
Sin embargo, estudios recientes de exoplanetas han demostrado que las estrellas de tipo M (enanas rojas) son muy buenas candidatas para encontrar exoplanetas ” similares a la Tierra ” (también conocidos como rocosos) que orbitan dentro de la Zona Habitable (HZ). En particular, Matloff enfatiza cómo investigaciones recientes han demostrado que estos planetas podrían ser potencialmente habitables. Si un ETI avanzado es como nosotros (evolucionado en un planeta rocoso), no es probable que pase por alto estos sistemas estelares.
“Si el espaciado es menor con las estrellas de tipo M, tienes resonancias [orbitales], donde un planeta no estaría bloqueado por marea porque otros planetas causan perturbaciones en su órbita. Incluso si están bloqueados por mareas, eso no descarta la posibilidad de vida. Las sondas de Von Neumann no las descartarían. [Los estudios futuros deberían] buscar sondas y vida en todas las estrellas de la secuencia principal F, G, K, M estables y maduras. Las estrellas M en particular parecen tener muchos planetas en o cerca de la zona habitable”.
Ilustración que muestra la posible superficie de TRAPPIST-1f, uno de los planetas recién descubiertos en el sistema TRAPPIST-1. Créditos: NASA/JPL-Caltech
Además de buscar en función de las clasificaciones estelares, Matloff también considera varias propuestas sobre dónde se pueden encontrar sondas en nuestro Sistema Solar. Esto plantea una vez más el tema de las resoluciones propuestas a la paradoja de Fermi y sus posibles implicaciones para SETI:
“A menos que la humanidad sea la primera civilización en viajar al espacio o estemos bajo algún tipo de cuarentena [al estilo de las hipótesis del planetario y el zoológico], es razonable preguntarse dónde se pueden encontrar tales sondas en el Sistema Solar. Debido a los procesos geofísicos y meteorológicos dinámicos, el espacio podría ser un mejor lugar para buscar que la superficie de la Tierra”.
Las ubicaciones posibles incluyen la Luna, los asteroides troyanos de la Tierra y los asteroides coorbitales de la Tierra. Sin embargo, como el propio Matloff sugirió anteriormente, las búsquedas de extraterrestres tendrán más posibilidades de éxito en el Sistema Solar exterior. Una ubicación posible (bastante grande) es el Cinturón de Kuiper:
“Una ventaja del Cinturón de Kuiper para la construcción de una generación posterior de sondas Von Neumann es la disponibilidad de recursos que incluyen materiales volátiles”, dijo, y agregó: “si desean mantener ocultas sus actividades, una ubicación exterior del Sistema Solar para un sonda o una base de sonda tiene más sentido. Creo que el cinturón de Kuiper es el mejor lugar para empezar a buscar”.
Una de las partes más difíciles de SETI es el marco de referencia limitado que tenemos. Conocemos un solo planeta que alberga vida (la Tierra) y una civilización tecnológicamente avanzada (nosotros mismos). Como tal, todos nuestros esfuerzos se enmarcan en el enfoque de ” la fruta al alcance de la mano “, donde nos limitamos a buscar signos de vida (también conocido como “biofirmas”) tal como lo conocemos y evidencia de actividad tecnológica (también conocido como. “firmas tecnológicas”) con las que estamos familiarizados.
Entonces, cuando se trata de entrar en la mente de los ETI, nos vemos obligados a ceñirnos a lo que sabemos (y lo que podríamos hacer en su lugar) y usar las conclusiones a las que llegamos para ayudar a refinar la búsqueda. Si bien es algo limitante, este enfoque tiene muchas ventajas. Tenemos que asumir que las ETI estarán sujetas a la misma física que nosotros, ya que sabemos que las leyes no cambian de un lugar y momento a otro.
También estamos bastante seguros de que si existe vida inteligente en otro lugar de nuestro Universo, la evolución favorecerá ciertas características similares, como la curiosidad. Si bien no se puede decir nada definitivo sobre la fisiología, la psicología, las comunicaciones o la tecnología alienígenas, es una suposición segura que estarían igualmente motivados para explorar. Además del atractivo de aprender más sobre el cosmos y “ver lo que hay ahí fuera”, seguramente les interesaría saber si existen otras especies inteligentes además de ellos.
En ese sentido, estudios teóricos como este nos ayudan a refinar la búsqueda al someter las famosas preguntas de Fermi (“¿Dónde están todos?”) a un escrutinio serio. Al hacer las preguntas, “¿qué funcionaría mejor?” y “¿por qué lo haríamos?” seleccionamos lugares y señales que podemos buscar. Más allá de eso, lo único que podemos hacer es seguir buscando hasta que veamos lo que hay ahí fuera.