Iagttager universet med et kamera, der kører nær lysets hastighed

Astronomer stræber efter at observere universet via stadig mere avancerede teknikker. Hver gang forskere opfinder en ny metode, hidtil uset information indsamles, og folks forståelse af kosmos uddybes.

Et ambitiøst program til at sprænge kameraer langt ud over solsystemet blev annonceret i april 2016 af internetinvestor og videnskabsfilantrop Yuri Milner, afdøde fysiker Stephen Hawking og Facebooks administrerende direktør Mark Zuckerberg. Kaldes "Gennembrud Starshot, "Idéen er at sende en flok små nano-rumfartøjer til solens nærmeste stjernenabo, det trestjernede Alpha Centauri-system. At rejse med omkring 20 procent lysets hastighed - så hurtigt som 100 millioner miles i timen - ville håndværket og deres små kameraer sigte mod den mindste, men tætteste stjerne i systemet, Proxima Centari, og dens planet Proxima b, 4,26 lysår fra Jorden.

Breakthrough Starshot-teamets mål vil stole på en række endnu uprøvede teknologier. Planen er at bruge lette sejl til at få disse rumfartøjer længere og hurtigere end noget, der er kommet før – lasere på Jorden vil skubbe de små skibe via deres supertynde og reflekterende sejl. Jeg har en anden idé, der kan komme i gang med denne teknologi, da projektet forbereder sig:Forskere kan få værdifulde data fra disse mobile observatorier, selv direkte teste Einsteins specielle relativitetsteori, længe før de kommer tæt på Alpha Centauri.

Tekniske udfordringer florerer

At opnå gennembrud Starshots mål er på ingen måde en let opgave. Projektet bygger på fortsat teknologisk udvikling på tre selvstændige fronter.

Først, forskere bliver nødt til at reducere størrelsen og vægten af ​​mikroelektroniske komponenter dramatisk for at lave et kamera. Hvert nanocraft er planlagt til ikke at være mere end et par gram i alt – og det skal ikke kun omfatte kameraet, men også andre nyttelast inklusive strømforsyning og kommunikationsudstyr.

En anden udfordring bliver at bygge tyndt, ultralette og stærkt reflekterende materialer til at tjene som "sejl" for kameraet. En mulighed er at have et enkeltlags grafensejl-bare et molekyle tykt, kun 0,345 nanometer.

Breakthrough Starshot-teamet vil drage fordel af den stigende effekt og faldende omkostninger ved laserstråler. Lasere med 100-Gigawatt-effekt er nødvendige for at accelerere kameraerne fra jorden. Ligesom vinden fylder en sejlbåds sejl og skubber den fremad, fotonerne fra en højenergi laserstråle kan drive et ultralet reflekterende sejl frem, når de hopper tilbage.

Med den forventede teknologiudviklingsrate, det vil sandsynligvis vare mindst to årtier mere, før videnskabsmænd kan affyre et kamera, der rejser med en hastighed, der er en betydelig brøkdel af lysets hastighed.

Selv hvis et sådant kamera kunne bygges og accelereres, flere udfordringer skal overvindes for at opfylde drømmen om at nå Alpha Centauri -systemet. Kan forskere rette kameraerne korrekt, så de når stjernesystemet? Kan kameraet overhovedet overleve den næsten 20-årige rejse uden at blive beskadiget? Og hvis det slår oddsene, og turen går godt, vil det være muligt at overføre data - f.eks. billeder – tilbage til Jorden over så stor en afstand?

Introduktion til 'relativistisk astronomi'

Min samarbejdspartner Kunyang Li, en kandidatstuderende ved Georgia Institute of Technology, og jeg ser potentiale i alle disse teknologier, selv før de er perfektioneret og klar til at tage af sted til Alpha Centauri.

Når et kamera bevæger sig i rummet tæt på lysets hastighed – hvad man kunne kalde "relativistisk hastighed" – spiller Einsteins specielle relativitetsteori en rolle i, hvordan billederne taget af kameraet vil blive ændret. Einsteins teori siger, at i forskellige "hvilerammer" har observatører forskellige målinger af rum og tid. Det er, rum og tid er relative. Hvor forskelligt de to observatører måler ting afhænger af, hvor hurtigt de bevæger sig i forhold til hinanden. Hvis den relative hastighed er tæt på lysets hastighed, deres observationer kan variere betydeligt.

Den særlige relativitetsteori påvirker også mange andre ting, fysikere måler – f.eks. lysets frekvens og intensitet og også størrelsen på et objekts udseende. I resten af ​​kameraet, hele universet bevæger sig med en god brøkdel af lysets hastighed i den modsatte retning af kameraets egen bevægelse. Til en imaginær person om bord, takket være de forskellige rumtider, han og alle andre på Jorden oplever, lyset fra en stjerne eller galakse ville se mere blåt ud, lysere og mere kompakt, og vinkeladskillelsen mellem to objekter ville se mindre ud.

Vores idé er at drage fordel af disse særlige relativitetsteorier til at observere velkendte objekter i det relativistiske kameras forskellige rumtidshvileramme. Dette kan give en ny måde at studere astronomi - det vi kalder "relativistisk astronomi".

Hvad kunne kameraet fange?

Så, et relativistisk kamera ville naturligvis tjene som en spektrograf, tillader forskere at se på et iboende rødere lysbånd. Det ville fungere som en linse, forstørrer mængden af ​​lys, den opsamler. Og det ville være et wide-field kamera, lader astronomer observere flere objekter inden for det samme synsfelt af kameraet.

Her er et eksempel på den slags data, vi kunne indsamle ved hjælp af det relativistiske kamera. På grund af universets ekspansion, lyset fra det tidlige univers er rødere, når det når Jorden, end da det startede. Fysikere kalder denne effekt rødforskydning:Når lyset rejser, dens bølgelængde strækker sig, når den udvider sig sammen med universet. Rødt lys har længere bølgelængder end blåt lys. Alt dette betyder, at for at se rødforskudt lys fra det unge univers, man skal bruge de svært observerbare infrarøde bølgelængder til at indsamle det.

Indtast det relativistiske kamera. Til et kamera, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, sådan rødskiftet lys bliver blåere - det vil sige, den er nu blåskiftet. Effekten af ​​kameraets bevægelse modvirker effekten af ​​universets udvidelse. Nu kunne en astronom fange det lys ved hjælp af det velkendte kamera med synligt lys. Den samme Doppler-forstærkende effekt gør det også muligt for det svage lys fra det tidlige univers at blive forstærket, hjælper med at opdage. At observere de spektrale træk ved fjerne objekter kan give os mulighed for at afsløre historien om det tidlige univers, især hvordan universet udviklede sig efter det blev gennemsigtigt 380, 000 år efter Big Bang.

Et andet spændende aspekt af relativistisk astronomi er, at menneskeheden for første gang kan teste principperne for særlig relativitet ved hjælp af makroskopiske målinger for første gang. Sammenligning af observationer indsamlet på det relativistiske kamera og observationer indsamlet fra jorden, astronomer kunne præcist teste de grundlæggende forudsigelser af Einsteins relativitetsteori vedrørende ændring af frekvens, flux og let kørselsretning i forskellige hvilerammer.

Sammenlignet med de endelige mål for Starshot-projektet, at observere universet ved hjælp af relativistiske kameraer burde være lettere. Astronomer behøver ikke at bekymre sig om at rette kameraet, da det kunne få interessante resultater, når det sendes i enhver retning. Dataoverførselsproblemet lindres noget, da afstandene ikke ville være så store. Det samme med de tekniske vanskeligheder med at beskytte kameraet.

Vi foreslår, at afprøvning af relativistiske kameraer til astronomiske observationer kan være en forløber for hele Starshot-projektet. Og menneskeheden vil have et nyt astronomisk "observatorium" til at studere universet på en hidtil uset måde. Historien tyder på, at åbning af et nyt vindue som dette vil afsløre mange hidtil uopdagede skatte.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.