Astronomie rychlostí světla

Následující esej je přetištěna se svolením online publikace The Conversation, která se zabývá nejnovějším výzkumem.

Astronomové se snaží pozorovat vesmír pomocí stále dokonalejších technik. Kdykoli vědci vynaleznou novou metodu, shromáždí se nebývalé informace a prohloubí se lidské poznání vesmíru.

Ambicózní program, jehož cílem je vystřelit kamery daleko za hranice sluneční soustavy, oznámili v dubnu 2016 internetový investor a vědecký filantrop Jurij Milner, zesnulý fyzik Stephen Hawking a generální ředitel Facebooku Mark Zuckerberg. Pod názvem „Breakthrough Starshot“ se skrývá záměr vyslat k nejbližšímu hvězdnému sousedovi Slunce, trojhvězdnému systému Alfa Centauri, několik malých nanosond. Při cestě rychlostí zhruba 20 procent rychlosti světla – tedy rychlostí až 100 milionů kilometrů za hodinu – by se plavidla a jejich malé kamery zaměřily na nejmenší, ale nejbližší hvězdu soustavy, Proximu Centari, a její planetu Proximu b, 4.26 světelných let od Země.

Cílem projektu Breakthrough Starshot je prokázat koncepci „nanoplánu“ poháněného světelným paprskem.

Cíl týmu Breakthrough Starshot se bude opírat o řadu dosud nevyzkoušených technologií. Plán je využít světelné plachty k tomu, aby se tyto kosmické lodě dostaly dál a rychleji než cokoli předtím – světelné paprsky na Zemi budou malé lodě pohánět prostřednictvím supertenkých a reflexních plachet. Mám další nápad, který by se mohl na tuto technologii navázat, protože projekt se připravuje:

Technických problémů je mnoho

Dosažení cíle projektu Breakthrough Starshot není v žádném případě snadný úkol. Projekt se opírá o pokračující technologický vývoj na třech nezávislých frontách.

Nejprve budou muset vědci výrazně zmenšit rozměry a hmotnost mikroelektronických součástek pro výrobu kamery. Každá nanokamera má mít celkem maximálně několik gramů – a to bude muset zahrnovat nejen kameru, ale i další užitečné zatížení včetně zdroje energie a komunikačního zařízení.

Další výzvou bude vytvoření tenkých, ultralehkých a vysoce reflexních materiálů, které budou sloužit jako „plachta“ pro kameru. Jednou z možností je jednovrstvá grafenová plachta – o tloušťce pouhé molekuly, jen 0,345 nanometru.

Tým Breakthrough Starshot bude těžit z rostoucího výkonu a klesajících nákladů na laserové paprsky. K urychlení kamer ze země jsou zapotřebí lasery o výkonu 100 gigawattů. Stejně jako vítr plní plachty plachetnice a tlačí ji vpřed, mohou fotony z vysokoenergetického laserového paprsku pohánět ultralehkou reflexní plachtu vpřed, když se odrážejí zpět.

Při předpokládaném tempu vývoje technologií bude pravděpodobně trvat ještě nejméně dvě desetiletí, než vědci budou moci vypustit kameru pohybující se rychlostí významného zlomku rychlosti světla.

I kdyby se takovou kameru podařilo sestrojit a urychlit, bude třeba překonat několik dalších problémů, aby se splnil sen o dosažení soustavy Alfa Centauri. Dokáží vědci správně zaměřit kameru tak, aby dosáhla hvězdného systému? Může kamera vůbec přežít téměř dvacetiletou cestu bez poškození? A pokud se jí podaří překonat šance a cesta se vydaří, bude možné přenést data – například snímky – zpět na Zemi na tak obrovskou vzdálenost?“

Představení „relativistické astronomie“

Můj spolupracovník Kunyang Li, postgraduální student na Georgia Institute of Technology, a já vidíme potenciál ve všech těchto technologiích ještě předtím, než budou zdokonaleny a připraveny vyrazit k Alfa Centauri.

Když se kamera pohybuje ve vesmíru rychlostí blízkou rychlosti světla – což by se dalo nazvat „relativistickou rychlostí“ – hraje Einsteinova speciální teorie relativity roli v tom, jak budou snímky pořízené kamerou upraveny. Einsteinova teorie říká, že v různých „klidových rámcích“ mají pozorovatelé různé míry délky prostoru a času. To znamená, že prostor a čas jsou relativní. To, jak rozdílně dva pozorovatelé věci měří, závisí na tom, jak rychle se vůči sobě pohybují. Pokud je relativní rychlost blízká rychlosti světla, mohou se jejich pozorování výrazně lišit.

Speciální teorie relativity ovlivňuje i mnoho dalších věcí, které fyzikové měří – například frekvenci a intenzitu světla a také velikost vzhledu objektu. V klidovém rámci kamery se celý vesmír pohybuje dobrou částí rychlosti světla v opačném směru, než se pohybuje kamera. Pomyslnému člověku na palubě by se díky odlišným časoprostorům, které zažívá on a všichni na Zemi, zdálo světlo hvězdy nebo galaxie modřejší, jasnější a kompaktnější a úhlová vzdálenost mezi dvěma objekty by vypadala menší.

Naším záměrem je využít těchto vlastností speciální teorie relativity k pozorování známých objektů v odlišném časoprostorovém klidovém rámci relativistické kamery. To může poskytnout nový způsob studia astronomie – to, čemu říkáme „relativistická astronomie“.

Co by mohla kamera zachytit?

Relativistická kamera by tedy přirozeně sloužila jako spektrograf, který by vědcům umožnil sledovat přirozeně červenější pásmo světla. Fungovala by jako čočka, která by zvětšovala množství světla, které zachytí. A byla by to kamera se širokým zorným polem, což by astronomům umožnilo pozorovat více objektů ve stejném zorném poli kamery.

Tady je jeden příklad druhu dat, která bychom mohli získat pomocí relativistické kamery. V důsledku rozpínání vesmíru je světlo z raného vesmíru v době, kdy dorazí na Zemi, červenější než na jeho počátku. Fyzikové tento efekt nazývají rudý posuv: Světlo se při své cestě rozpíná spolu s vesmírem a jeho vlnová délka se prodlužuje. Červené světlo má delší vlnovou délku než modré světlo. To vše znamená, že chceme-li vidět červeně posunuté světlo z mladého vesmíru, musíme k jeho zachycení použít obtížně pozorovatelné infračervené vlnové délky.

Vstupte do relativistické kamery. Pro kameru pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla se takové červeně posunuté světlo stává modřejším – to znamená, že je nyní modře posunuté. Účinek pohybu kamery působí proti účinku rozpínání vesmíru. Nyní by astronom mohl toto světlo zachytit pomocí známé kamery pro viditelné světlo. Stejný efekt Dopplerova zesílení také umožňuje zesílení slabého světla z raného vesmíru, což napomáhá jeho detekci. Pozorování spektrálních vlastností vzdálených objektů nám může umožnit odhalit historii raného vesmíru, zejména to, jak se vesmír vyvíjel poté, co se 380 000 let po velkém třesku stal průhledným.

Dalším vzrušujícím aspektem relativistické astronomie je, že lidstvo může poprvé přímo testovat principy speciální teorie relativity pomocí makroskopických měření. Porovnáním pozorování získaných na relativistické kameře a pozorování získaných ze země by astronomové mohli přesně otestovat základní předpovědi Einsteinovy teorie relativity týkající se změny frekvence, toku a směru pohybu světla v různých klidových rámcích.

V porovnání s konečnými cíli projektu Starshot by pozorování vesmíru pomocí relativistických kamer mělo být jednodušší. Astronomové by se nemuseli starat o zaměření kamery, protože by mohli získat zajímavé výsledky při vyslání libovolným směrem. Problém s přenosem dat je poněkud zmírněn, protože vzdálenosti by nebyly tak velké. Totéž platí o technické obtížnosti ochrany kamery.

Navrhujeme, aby vyzkoušení relativistických kamer pro astronomická pozorování bylo předstupněm celého projektu Starshot. A lidstvo bude mít novou astronomickou „observatoř“ pro studium vesmíru dosud nevídaným způsobem. Historie naznačuje, že otevření takového nového okna odhalí mnoho dosud neobjevených pokladů.

Tento článek byl původně publikován na serveru The Conversation. Přečtěte si původní článek.