Astronomi med lysets hastighed

Det følgende essay er gengivet med tilladelse fra The Conversation, en onlinepublikation, der dækker den nyeste forskning.

Astronomer stræber efter at observere universet ved hjælp af stadig mere avancerede teknikker. Hver gang forskerne opfinder en ny metode, indsamles der hidtil usete oplysninger, og menneskers forståelse af kosmos bliver dybere.

Et ambitiøst program, der skal sprænge kameraer langt ud over solsystemet, blev annonceret i april 2016 af internetinvestor og videnskabsfilantrop Yuri Milner, den afdøde fysiker Stephen Hawking og Facebooks administrerende direktør Mark Zuckerberg. Under navnet “Breakthrough Starshot” er det tanken at sende en flok bittesmå nano-rumfartøjer til solens nærmeste stjerne nabo, det tre-stjernede Alpha Centauri system. Fartøjerne og deres bittesmå kameraer skal rejse med ca. 20 % af lysets hastighed – dvs. så hurtigt som 160 millioner kilometer i timen – og sigte mod den mindste, men nærmeste stjerne i systemet, Proxima Centari, og dens planet Proxima b, 4.26 lysår fra Jorden.

Breakthrough Starshot har til formål at bevise konceptet for et “nanobåd”, der drives af en lysstråle.

Breakthrough Starshot-holdets mål vil være baseret på en række endnu uprøvede teknologier. Planen er at bruge lyssejl til at få disse rumfartøjer længere og hurtigere frem end noget, der er kommet før – laserlys på Jorden vil skubbe de små skibe via deres supertynde og reflekterende sejl. Jeg har en anden idé, som kunne bygge på denne teknologi, mens projektet er ved at blive sat i gang: Forskerne kunne få værdifulde data fra disse mobile observatorier og endda direkte teste Einsteins specielle relativitetsteori, længe før de kommer i nærheden af Alpha Centauri.

Tekniske udfordringer er der mange af

Det er på ingen måde nogen nem opgave at nå Breakthrough Starshots mål. Projektet er afhængig af fortsat teknologisk udvikling på tre uafhængige fronter.

For det første skal forskerne reducere størrelsen og vægten af de mikroelektroniske komponenter, der skal bruges til at lave et kamera, dramatisk. Hvert nanokraftværk skal efter planen ikke veje mere end et par gram i alt – og det skal ikke kun omfatte kameraet, men også andre nyttelast, herunder strømforsyning og kommunikationsudstyr.

En anden udfordring bliver at bygge tynde, ultralette og stærkt reflekterende materialer, der skal fungere som “sejl” for kameraet. En mulighed er at have et enkelt lag grafen-sejl – kun et molekyle tykt, kun 0,345 nanometer.

Det vil være en stor udfordring for Breakthrough Starshot-holdet at drage fordel af den stigende effekt og de faldende omkostninger ved laserstråler. Lasere med en effekt på 100 gigawatt er nødvendige for at accelerere kameraerne fra jorden. Ligesom vinden fylder en sejlbåds sejl og skubber den fremad, kan fotonerne fra en højenergilaserstråle drive et ultralet reflekterende sejl fremad, når de preller tilbage.

Med den forventede teknologiske udviklingstakt vil der sandsynligvis gå mindst to årtier mere, før forskerne kan opsende et kamera, der rejser med en hastighed, der er en betydelig brøkdel af lysets hastighed.

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

Indførelse af “relativistisk astronomi”

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

Når et kamera bevæger sig i rummet med tæt på lysets hastighed – det, man kunne kalde “relativistisk hastighed” – spiller Einstein’s specielle relativitetsteori en rolle for, hvordan de billeder, som kameraet tager, vil blive ændret. Einsteins teori fastslår, at i forskellige “hvilerammer” har observatører forskellige mål for længden af rum og tid. Det vil sige, at rum og tid er relative. Hvor forskelligt de to observatører måler tingene, afhænger af, hvor hurtigt de bevæger sig i forhold til hinanden. Hvis den relative hastighed er tæt på lysets hastighed, kan deres observationer være meget forskellige.

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

Vores idé er at udnytte disse træk ved den specielle relativitetsteori til at observere velkendte objekter i det relativistiske kameras anderledes rumtids hvileramme. Det kan give en ny måde at studere astronomi på – det, vi kalder “relativistisk astronomi”.

Hvad kan kameraet indfange?

Så et relativistisk kamera vil naturligvis fungere som en spektrograf, så forskerne kan se på et i sig selv mere rødt bånd af lys. Det ville fungere som en linse, der forstørrer den mængde lys, det opfanger. Og det ville være et wide-field kamera, så astronomerne kunne observere flere objekter inden for kameraets samme synsfelt.

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

Enter det relativistiske kamera. For et kamera, der bevæger sig med tæt på lysets hastighed, bliver et sådant rødforskudt lys mere blåt – det vil sige, at det nu er blåforskudt. Effekten af kameraets bevægelse modvirker virkningen af universets udvidelse. Nu kan en astronom fange dette lys ved hjælp af det velkendte kamera til synligt lys. Den samme Dopplerforstærkende effekt gør det også muligt at forstærke det svage lys fra det tidlige univers, hvilket gør det nemmere at opdage det. Ved at observere de spektrale træk ved fjerne objekter kan vi afsløre det tidlige univers’ historie, især hvordan universet udviklede sig, efter at det blev gennemsigtigt 380.000 år efter Big Bang.

Et andet spændende aspekt af relativistisk astronomi er, at menneskeheden for første gang kan afprøve principperne i den specielle relativitetsteori direkte ved hjælp af makroskopiske målinger. Ved at sammenligne de observationer, der er indsamlet på det relativistiske kamera, og de observationer, der er indsamlet fra jorden, kan astronomerne præcist teste de grundlæggende forudsigelser i Einsteins relativitetsteori vedrørende ændring af frekvens, flux og lysets bevægelsesretning i forskellige hvilerammer.

Sammenlignet med de endelige mål for Starshot-projektet skulle det være lettere at observere universet ved hjælp af relativistiske kameraer. Astronomer ville ikke skulle bekymre sig om at sigte kameraet, da det kunne få interessante resultater, når det blev sendt i en hvilken som helst retning. Problemet med datatransmission er noget lempet, da afstandene ikke ville være så store. Det samme gælder den tekniske vanskelighed med at beskytte kameraet.

Vi foreslår, at afprøvning af relativistiske kameraer til astronomiske observationer kunne være en forløber for det fulde Starshot-projekt. Og menneskeheden vil få 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 offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.