Astronomie in Lichtgeschwindigkeit

Der folgende Aufsatz wurde mit Genehmigung von The Conversation nachgedruckt, einer Online-Publikation, die über die neueste Forschung berichtet.

Astronomen streben danach, das Universum mit immer fortschrittlicheren Techniken zu beobachten. Jedes Mal, wenn Forscher eine neue Methode erfinden, werden noch nie dagewesene Informationen gesammelt und das Verständnis des Kosmos vertieft.

Ein ehrgeiziges Programm, mit dem Kameras weit über das Sonnensystem hinausgeschossen werden sollen, wurde im April 2016 von dem Internetinvestor und Wissenschaftsphilanthropen Yuri Milner, dem verstorbenen Physiker Stephen Hawking und dem Facebook-Chef Mark Zuckerberg angekündigt. Das Projekt mit dem Namen „Breakthrough Starshot“ sieht vor, eine Reihe winziger Nano-Raumfahrzeuge zum nächstgelegenen Nachbarstern der Sonne zu schicken, dem Drei-Sterne-System Alpha Centauri. Mit etwa 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – also bis zu 100 Millionen Meilen pro Stunde – würden die Raumfahrzeuge und ihre winzigen Kameras den kleinsten, aber nächstgelegenen Stern des Systems, Proxima Centari, und seinen Planeten Proxima b anvisieren, 4.26 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Breakthrough Starshot zielt darauf ab, den Nachweis des Konzepts für ein von einem Lichtstrahl angetriebenes „Nanoflugzeug“ zu erbringen.

Das Ziel des Breakthrough Starshot-Teams stützt sich auf eine Reihe von noch nicht erprobten Technologien. Der Plan ist, Lichtsegel zu verwenden, um diese Raumfahrzeuge weiter und schneller als alles bisher Dagewesene zu bringen – Laser auf der Erde werden die winzigen Schiffe über ihre superdünnen und reflektierenden Segel antreiben. Ich habe noch eine andere Idee, die sich mit dieser Technologie verbinden könnte, während das Projekt in Gang kommt: Die Forscher könnten wertvolle Daten von diesen mobilen Observatorien erhalten und sogar Einsteins spezielle Relativitätstheorie direkt testen, lange bevor sie in die Nähe von Alpha Centauri kommen.

Technische Herausforderungen gibt es zuhauf

Das Ziel von Breakthrough Starshot zu erreichen, ist keineswegs eine leichte Aufgabe. Das Projekt hängt von der kontinuierlichen technologischen Entwicklung an drei unabhängigen Fronten ab.

Erst müssen die Forscher die Größe und das Gewicht der mikroelektronischen Komponenten für die Herstellung einer Kamera drastisch verringern. Jedes Nanoflugzeug soll insgesamt nicht mehr als ein paar Gramm wiegen – und das schließt nicht nur die Kamera, sondern auch andere Nutzlasten wie Stromversorgung und Kommunikationsausrüstung ein.

Eine weitere Herausforderung wird darin bestehen, dünne, ultraleichte und hochreflektierende Materialien herzustellen, die als „Segel“ für die Kamera dienen. Eine Möglichkeit ist ein einlagiges Graphen-Segel – nur ein Molekül dick, nur 0,345 Nanometer.

Das Breakthrough Starshot Team wird von der steigenden Leistung und den sinkenden Kosten von Laserstrahlen profitieren. Um die Kameras vom Boden aus zu beschleunigen, werden Laser mit 100 Gigawatt Leistung benötigt. So wie der Wind die Segel eines Segelboots füllt und es vorwärts treibt, können die Photonen eines hochenergetischen Laserstrahls ein ultraleichtes, reflektierendes Segel vorwärts treiben, während sie zurückprallen.

Bei der prognostizierten Entwicklungsgeschwindigkeit der Technologie wird es wahrscheinlich noch mindestens zwei Jahrzehnte dauern, bis Wissenschaftler eine Kamera starten können, die sich mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt.

Selbst wenn es gelänge, eine solche Kamera zu bauen und zu beschleunigen, müssen noch mehrere Herausforderungen bewältigt werden, um den Traum vom Erreichen des Alpha Centauri-Systems zu verwirklichen. Können die Forscher die Kamera richtig ausrichten, so dass sie das Sternsystem erreicht? Kann die Kamera die fast 20 Jahre dauernde Reise überhaupt unbeschadet überstehen? Und wenn die Reise gut verläuft, wird es dann möglich sein, die Daten – z. B. Bilder – über eine so große Entfernung zur Erde zu übertragen?

Einführung in die „relativistische Astronomie“

Mein Mitarbeiter Kunyang Li, Doktorand am Georgia Institute of Technology, und ich sehen in all diesen Technologien Potenzial, noch bevor sie perfektioniert und bereit sind, zu Alpha Centauri aufzubrechen.

Wenn sich eine Kamera im Weltraum mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt – was man als „relativistische Geschwindigkeit“ bezeichnen könnte -, spielt die spezielle Relativitätstheorie von Einstein eine Rolle dabei, wie die von der Kamera aufgenommenen Bilder verändert werden. Einsteins Theorie besagt, dass Beobachter in verschiedenen „Ruhesystemen“ unterschiedliche Längenmaße von Raum und Zeit haben. Das heißt, Raum und Zeit sind relativ. Wie unterschiedlich die beiden Beobachter die Dinge messen, hängt davon ab, wie schnell sie sich im Verhältnis zueinander bewegen. Wenn die relative Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt, können sich ihre Beobachtungen erheblich unterscheiden.

Die spezielle Relativitätstheorie wirkt sich auch auf viele andere Dinge aus, die Physiker messen – zum Beispiel die Frequenz und Intensität des Lichts und auch die Größe der Erscheinung eines Objekts. Im Ruhezustand der Kamera bewegt sich das gesamte Universum mit einem guten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung zur Eigenbewegung der Kamera. Für eine imaginäre Person an Bord würde das Licht eines Sterns oder einer Galaxie dank der unterschiedlichen Raumzeiten, die sie und alle anderen auf der Erde erleben, blauer, heller und kompakter erscheinen, und der Winkelabstand zwischen zwei Objekten würde kleiner erscheinen.

Unsere Idee ist es, diese Eigenschaften der Speziellen Relativitätstheorie zu nutzen, um bekannte Objekte in dem anderen Raumzeit-Ruhezustand der relativistischen Kamera zu beobachten. Dies kann eine neue Art des Studiums der Astronomie ermöglichen, die wir „relativistische Astronomie“ nennen.

Was könnte die Kamera einfangen?

So würde eine relativistische Kamera natürlich als Spektrograph dienen, der es den Forschern ermöglicht, ein von Natur aus röteres Lichtband zu betrachten. Sie würde als Linse fungieren und die Lichtmenge, die sie aufnimmt, vergrößern. Und sie wäre eine Weitwinkelkamera, die es den Astronomen ermöglicht, mehr Objekte innerhalb des gleichen Sichtfeldes der Kamera zu beobachten.

Hier ist ein Beispiel für die Art von Daten, die wir mit der relativistischen Kamera sammeln könnten. Aufgrund der Expansion des Universums ist das Licht aus dem frühen Universum röter, wenn es die Erde erreicht, als es zu Beginn war. Die Physiker nennen diesen Effekt Rotverschiebung: Auf seiner Reise dehnt sich die Wellenlänge des Lichts aus, wenn es sich mit dem Universum ausdehnt. Rotes Licht hat eine größere Wellenlänge als blaues Licht. All dies bedeutet, dass man, um rotverschobenes Licht aus dem jungen Universum zu sehen, die schwer zu beobachtenden infraroten Wellenlängen verwenden muss, um es aufzufangen.

Das ist die relativistische Kamera. Für eine Kamera, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird dieses rotverschobene Licht blauer, d. h. es ist jetzt blauverschoben. Der Effekt der Bewegung der Kamera wirkt dem Effekt der Expansion des Universums entgegen. Nun könnte ein Astronom dieses Licht mit der bekannten Kamera für sichtbares Licht einfangen. Derselbe Doppler-Effekt ermöglicht es auch, das schwache Licht aus dem frühen Universum zu verstärken, was die Entdeckung erleichtert. Die Beobachtung der spektralen Eigenschaften entfernter Objekte kann uns Aufschluss über die Geschichte des frühen Universums geben, insbesondere darüber, wie sich das Universum entwickelt hat, nachdem es 380.000 Jahre nach dem Urknall durchsichtig wurde.

Ein weiterer spannender Aspekt der relativistischen Astronomie ist, dass die Menschheit zum ersten Mal die Prinzipien der Speziellen Relativitätstheorie anhand makroskopischer Messungen direkt überprüfen kann. Durch den Vergleich der mit der relativistischen Kamera gesammelten Beobachtungen mit denen vom Boden aus könnten die Astronomen die grundlegenden Vorhersagen der Einstein’schen Relativitätstheorie in Bezug auf die Änderung der Frequenz, des Lichtstroms und der Lichtlaufrichtung in verschiedenen Ruhesystemen genau testen.

Im Vergleich zu den Endzielen des Starshot-Projekts sollte die Beobachtung des Universums mit relativistischen Kameras einfacher sein. Die Astronomen bräuchten sich nicht um die Ausrichtung der Kamera zu kümmern, da sie interessante Ergebnisse liefern könnte, wenn sie in jede beliebige Richtung geschickt wird. Das Problem der Datenübertragung wird etwas gemildert, da die Entfernungen nicht so groß wären. Dasselbe gilt für die technische Schwierigkeit, die Kamera zu schützen.

Wir schlagen vor, dass die Erprobung relativistischer Kameras für astronomische Beobachtungen ein Vorläufer für das vollständige Starshot-Projekt sein könnte. Und die Menschheit wird ein neues astronomisches „Observatorium“ haben, um das Universum auf eine noch nie dagewesene Weise zu studieren. Die Geschichte zeigt, dass die Öffnung eines solchen Fensters viele bisher unentdeckte Schätze ans Licht bringen wird.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.