Astronomía a la velocidad de la luz

El siguiente ensayo se reproduce con permiso de The Conversation, una publicación en línea que cubre las últimas investigaciones.

Los astrónomos se esfuerzan por observar el universo mediante técnicas cada vez más avanzadas. Cada vez que los investigadores inventan un nuevo método, se recopila información sin precedentes y se profundiza en la comprensión del cosmos.

En abril de 2016, el inversor de Internet y filántropo científico Yuri Milner, el difunto físico Stephen Hawking y el director general de Facebook, Mark Zuckerberg, anunciaron un ambicioso programa para lanzar cámaras más allá del sistema solar. La idea, llamada «Breakthrough Starshot», es enviar un grupo de diminutas nano-navegaciones al vecino estelar más cercano al sol, el sistema de tres estrellas Alfa Centauri. Viajando a un 20% de la velocidad de la luz, es decir, a 160 millones de kilómetros por hora, las naves y sus diminutas cámaras apuntarían a la estrella más pequeña pero más cercana del sistema, Próxima Centari, y a su planeta Próxima b, situado a 4,26 años luz de la Tierra.26 años luz de la Tierra.

Breakthrough Starshot pretende establecer una prueba de concepto para una «nanocraft» impulsada por un rayo de luz.

El objetivo del equipo de Breakthrough Starshot se basará en una serie de tecnologías aún no probadas. El plan consiste en utilizar velas de luz para que estas naves espaciales lleguen más lejos y más rápido que cualquier otra cosa anterior: los láseres de la Tierra empujarán las diminutas naves a través de sus velas superfinas y reflectantes. Tengo otra idea que podría aprovechar esta tecnología mientras el proyecto se pone en marcha: Los investigadores podrían obtener valiosos datos de estos observatorios móviles, incluso probar directamente la teoría de la relatividad especial de Einstein, mucho antes de que se acerquen a Alfa Centauri.

Los desafíos técnicos abundan

Lograr el objetivo de Breakthrough Starshot no es en absoluto una tarea fácil. El proyecto depende del desarrollo tecnológico continuo en tres frentes independientes.

En primer lugar, los investigadores tendrán que reducir drásticamente el tamaño y el peso de los componentes microelectrónicos para fabricar una cámara. Está previsto que cada nanocarro no pese más de unos pocos gramos en total, y eso tendrá que incluir no sólo la cámara, sino también otras cargas útiles, como la fuente de alimentación y el equipo de comunicación.

Otro reto será construir materiales finos, ultraligeros y altamente reflectantes que sirvan de «vela» para la cámara. Una posibilidad es contar con una vela de grafeno de una sola capa, de apenas una molécula de grosor, de sólo 0,345 nanómetros.

El equipo de Breakthrough Starshot se beneficiará del aumento de la potencia y la reducción del coste de los rayos láser. Se necesitan láseres con una potencia de 100 gigavatios para acelerar las cámaras desde el suelo. Al igual que el viento llena las velas de un velero y lo empuja hacia delante, los fotones de un rayo láser de alta energía pueden impulsar una vela reflectante ultraligera mientras rebotan.

Con el ritmo de desarrollo tecnológico previsto, es probable que pasen al menos dos décadas más antes de que los científicos puedan lanzar una cámara que viaje con una velocidad una fracción significativa de la velocidad de la luz.

Incluso si se pudiera construir y acelerar una cámara de este tipo, habría que superar varios retos más para cumplir el sueño de llegar al sistema Alfa Centauri. ¿Podrán los investigadores apuntar correctamente las cámaras para que alcancen el sistema estelar? ¿Podrá la cámara sobrevivir al viaje de casi 20 años sin sufrir daños? Y si supera las probabilidades y el viaje va bien, ¿será posible transmitir los datos -por ejemplo, las imágenes- a la Tierra a una distancia tan enorme?

Presentación de la «astronomía relativista»

Mi colaborador Kunyang Li, estudiante de posgrado en el Instituto de Tecnología de Georgia, y yo vemos el potencial de todas estas tecnologías incluso antes de que se perfeccionen y estén listas para salir hacia Alfa Centauri.

Cuando una cámara viaja por el espacio a una velocidad cercana a la de la luz -lo que podría llamarse «velocidad relativista»-, la teoría especial de la relatividad de Einstein influye en cómo se modificarán las imágenes tomadas por la cámara. La teoría de Einstein afirma que en diferentes «marcos de reposo» los observadores tienen diferentes medidas de las longitudes del espacio y del tiempo. Es decir, el espacio y el tiempo son relativos. La diferencia en la medición de los dos observadores depende de la velocidad a la que se mueven el uno con respecto al otro. Si la velocidad relativa es cercana a la de la luz, sus observaciones pueden diferir significativamente.

La relatividad especial también afecta a muchas otras cosas que los físicos miden: por ejemplo, la frecuencia y la intensidad de la luz y también el tamaño de la apariencia de un objeto. En el marco de reposo de la cámara, todo el universo se mueve a una buena fracción de la velocidad de la luz en la dirección opuesta al propio movimiento de la cámara. Para una persona imaginaria a bordo, gracias a los diferentes espacio-tiempos experimentados por él y por todos en la Tierra, la luz de una estrella o galaxia se vería más azul, más brillante y más compacta, y la separación angular entre dos objetos se vería más pequeña.

Nuestra idea es aprovechar estas características de la relatividad especial para observar objetos familiares en el diferente marco de reposo del espacio-tiempo de la cámara relativista. Esto puede proporcionar un nuevo modo de estudiar la astronomía, lo que llamamos «astronomía relativista».

¿Qué podría capturar la cámara?

Así, una cámara relativista serviría naturalmente como un espectrógrafo, permitiendo a los investigadores observar una banda de luz intrínsecamente más roja. Actuaría como una lente, ampliando la cantidad de luz que recoge. Y sería una cámara de campo amplio, que permitiría a los astrónomos observar más objetos dentro del mismo campo de visión de la cámara.

Este es un ejemplo del tipo de datos que podríamos recoger con la cámara relativista. Debido a la expansión del universo, la luz del universo primitivo es más roja cuando llega a la Tierra que cuando empezó. Los físicos llaman a este efecto desplazamiento al rojo: A medida que la luz viaja, su longitud de onda se alarga al expandirse junto con el universo. La luz roja tiene mayor longitud de onda que la azul. Todo esto significa que para ver la luz desplazada al rojo del universo joven, hay que utilizar las longitudes de onda infrarrojas, difíciles de observar, para recogerla.

Entre la cámara relativista. Para una cámara que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz, esa luz desplazada al rojo se vuelve más azul, es decir, ahora está desplazada al azul. El efecto del movimiento de la cámara contrarresta el efecto de la expansión del universo. Ahora un astrónomo podría captar esa luz utilizando la conocida cámara de luz visible. El mismo efecto Doppler permite amplificar la luz débil del universo primitivo, lo que facilita su detección. La observación de las características espectrales de los objetos distantes puede permitirnos revelar la historia del universo primitivo, especialmente cómo evolucionó el universo después de hacerse transparente 380.000 años después del Big Bang.

Otro aspecto emocionante de la astronomía relativista es que la humanidad puede probar directamente los principios de la relatividad especial utilizando mediciones macroscópicas por primera vez. Comparando las observaciones recogidas en la cámara relativista y las recogidas desde tierra, los astrónomos podrían probar con precisión las predicciones fundamentales de la relatividad de Einstein relativas al cambio de frecuencia, flujo y dirección de viaje de la luz en diferentes marcos de reposo.

Comparado con los objetivos finales del proyecto Starshot, observar el universo utilizando cámaras relativistas debería ser más fácil. Los astrónomos no tendrían que preocuparse por apuntar la cámara, ya que ésta podría obtener resultados interesantes al ser enviada en cualquier dirección. El problema de la transmisión de datos se alivia un poco, ya que las distancias no serían tan grandes. Lo mismo ocurre con la dificultad técnica de proteger la cámara.

Proponemos que probar las cámaras relativistas para las observaciones astronómicas podría ser un precursor del proyecto Starshot completo. Y la humanidad dispondrá de un nuevo «observatorio» astronómico para estudiar el universo de una forma sin precedentes. La historia sugiere que la apertura de una nueva ventana como ésta desvelará muchos tesoros no detectados anteriormente.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.