Tähtitiede valon nopeudella

Seuraava essee on uusinta tutkimusta käsittelevän verkkojulkaisun The Conversationin luvalla.

Tähtitieteilijät pyrkivät havainnoimaan maailmankaikkeutta yhä kehittyneemmillä tekniikoilla. Aina kun tutkijat keksivät uuden menetelmän, kerätään ennennäkemätöntä tietoa ja ihmisten ymmärrys kosmoksesta syvenee.

Internet-sijoittaja ja tieteen hyväntekijä Juri Milner, edesmennyt fyysikko Stephen Hawking ja Facebookin toimitusjohtaja Mark Zuckerberg ilmoittivat huhtikuussa 2016 kunnianhimoisesta ohjelmasta, jonka tarkoituksena on räjäyttää kamerat kauas aurinkokunnan ulkopuolelle. Breakthrough Starshot -nimisen ohjelman ideana on lähettää joukko pieniä nanoavaruusaluksia auringon lähimpään tähtinaapuriin, kolmen tähden Alpha Centauri-järjestelmään. Noin 20 prosentin valonnopeudella eli jopa 100 miljoonan kilometrin tuntinopeudella kulkevat alukset ja niiden pienet kamerat tähtäisivät järjestelmän pienimpään mutta lähimpään tähteen, Proxima Centariin, ja sen planeettaan Proxima b,4:ään.26 valovuoden päässä Maasta.

Breakthrough Starshotin tavoitteena on todistaa valonsäteen ohjaaman ”nanolautan” konseptin toimivuus.

Breakthrough Starshot -ryhmän tavoite perustuu useisiin toistaiseksi todistamattomiin teknologioihin. Suunnitelmana on saada nämä avaruusalukset valopurjeiden avulla pidemmälle ja nopeammin kuin mikään aiempi – Maan laserit työntävät pikkuruisia aluksia niiden superohuiden ja heijastavien purjeiden kautta. Minulla on toinenkin idea, joka voisi hyödyntää tätä teknologiaa, kun hanke on käynnistymässä: Tutkijat voisivat saada arvokasta tietoa näistä liikkuvista observatorioista, jopa testata suoraan Einsteinin erityistä suhteellisuusteoriaa, kauan ennen kuin ne pääsevät lähellekään Alpha Centauria.

Teknisiä haasteita riittää

Murroksen läpimurto Starshotin päämäärän saavuttaminen ei ole suinkaan helppo tehtävä. Hanke perustuu jatkuvaan teknologiseen kehitykseen kolmella itsenäisellä rintamalla.

Ensiksi tutkijoiden on pienennettävä dramaattisesti mikroelektroniikkakomponenttien kokoa ja painoa kameran valmistamiseksi. Jokaisen nanolennokin on tarkoitus olla yhteensä enintään muutaman gramman painoinen – ja siihen on sisällytettävä kameran lisäksi myös muut hyötykuormat, kuten virransyöttö- ja viestintälaitteet.

Toinen haaste on rakentaa ohuita, ultrakevyitä ja hyvin heijastavia materiaaleja, jotka toimivat kameran ”purjeena”. Yksi mahdollisuus on yksikerroksinen grafeenipurje – vain molekyylin paksuinen, vain 0,345 nanometriä.

Breakthrough Starshot -tiimi hyötyy lasersäteiden kasvavasta tehosta ja laskevista kustannuksista. Kameroiden kiihdyttämiseen maasta tarvitaan 100 gigawatin tehoisia lasereita. Aivan kuten tuuli täyttää purjeveneen purjeet ja työntää sitä eteenpäin, suurienergisen lasersäteen fotonit voivat työntää ultrakevyttä heijastavaa purjetta eteenpäin, kun ne kimpoavat takaisin.

Teknologian ennustetulla kehitysvauhdilla kestää todennäköisesti vielä ainakin kaksi vuosikymmentä, ennen kuin tiedemiehet pystyvät laukaisemaan kameran, joka kulkee nopeudella, joka on merkittävä murto-osa valonnopeudesta.

Vaikka tällainen kamera pystyttäisiinkin rakentamaan ja kiihdyttämään, on voitettava vielä useita haasteita, jotta unelma Alfa Centauri-järjestelmään pääsystä toteutuisi. Osaavatko tutkijat suunnata kamerat oikein, jotta ne saavuttavat tähtijärjestelmän? Selviääkö kamera edes lähes 20 vuoden matkasta vahingoittumatta? Ja jos se voittaa todennäköisyydet ja matka sujuu hyvin, onko mahdollista lähettää tietoja – vaikkapa kuvia – takaisin Maahan niin valtavan matkan yli?

Relativistisen tähtitieteen esittely’

Työkaverini Kunyang Li, joka on jatko-opiskelija Georgian teknillisessä korkeakoulussa, ja minä näemme potentiaalia näissä tekniikoissa jo ennen kuin ne on viimeistelty ja valmiita lähtemään Alfa Centaurille.

Kun kamera kulkee avaruudessa lähes valonnopeudella – mitä voitaisiin kutsua ”relativistiseksi nopeudeksi” -Einsteinin erityisellä suhteellisuusteorialla on merkitystä siinä, miten kameran ottamat kuvat muuttuvat. Einsteinin teorian mukaan eri ”lepotiloissa” havaitsijoilla on erilaiset mittaukset avaruuden ja ajan pituuksista. Toisin sanoen avaruus ja aika ovat suhteellisia. Se, kuinka eri tavalla kaksi havaitsijaa mittaa asioita, riippuu siitä, kuinka nopeasti he liikkuvat toisiinsa nähden. Jos suhteellinen nopeus on lähellä valon nopeutta, heidän havaintonsa voivat poiketa toisistaan merkittävästi.

Erityinen suhteellisuusteoria vaikuttaa myös moniin muihin asioihin, joita fyysikot mittaavat – esimerkiksi valon taajuuteen ja voimakkuuteen ja myös kohteen ulkonäköön. Kameran lepotilassa koko maailmankaikkeus liikkuu reilun murto-osan valonnopeudesta vastakkaiseen suuntaan kuin kameran oma liike. Koneessa olevalle kuvitteelliselle henkilölle hänen ja kaikkien Maassa olevien kokemiensa erilaisten avaruusaikojen ansiosta tähden tai galaksin valo näyttäisi sinisemmältä, kirkkaammalta ja tiiviimmältä, ja kahden kohteen välinen kulmaetäisyys näyttäisi pienemmältä.

Ajatuksemme on hyödyntää näitä erikoissuhteellisuusteorian ominaisuuksia tutunlaisten kohteiden havainnoimiseksi relativistisen kameran erilaista avaruusaikaa olevassa lepokehyksessä. Tämä voi tarjota uuden tavan tutkia tähtitiedettä, jota kutsumme ”relativistiseksi tähtitieteeksi”.

Mitä kamera voisi kuvata?

Relativistinen kamera toimisi luonnollisesti spektrografina, jonka avulla tutkijat voisivat tarkastella luonnostaan punaisempaa valokaistaa. Se toimisi linssinä, joka suurentaisi keräämänsä valon määrää. Ja se toimisi laajakenttäkamerana, jolloin tähtitieteilijät voisivat tarkkailla useampia kohteita samassa kameran näkökentässä.

Tässä on yksi esimerkki siitä, millaista dataa voisimme kerätä relativistisella kameralla. Maailmankaikkeuden laajenemisen vuoksi varhaisen maailmankaikkeuden valo on Maahan saapuessaan punaisempaa kuin sen alkaessa. Fyysikot kutsuvat tätä ilmiötä punasiirtymäksi: Valon kulkiessa sen aallonpituus pitenee, kun se laajenee maailmankaikkeuden mukana. Punaisen valon aallonpituus on pidempi kuin sinisen valon. Kaikki tämä tarkoittaa sitä, että nähdäkseen nuoren maailmankaikkeuden punasiirtynyttä valoa on käytettävä vaikeasti havaittavia infrapuna-aallonpituuksia sen keräämiseen.

Tulee relativistinen kamera. Lähellä valonnopeutta liikkuvalle kameralle tällainen punasiirtynyt valo muuttuu sinisemmäksi – eli se on nyt sinisiirtynyttä. Kameran liikkeen vaikutus kumoaa maailmankaikkeuden laajenemisen vaikutuksen. Nyt tähtitieteilijä voisi vangita tuon valon tutulla näkyvän valon kameralla. Sama Dopplerin voimistumisvaikutus mahdollistaa myös varhaisen maailmankaikkeuden heikon valon vahvistumisen, mikä helpottaa havaitsemista. Kaukaisten kohteiden spektripiirteiden havainnoiminen voi antaa meille mahdollisuuden paljastaa varhaisen maailmankaikkeuden historiaa, erityisesti sitä, miten maailmankaikkeus kehittyi sen jälkeen, kun se muuttui läpinäkyväksi 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Relativistisen tähtitieteen toinen jännittävä näkökohta on se, että ihmiskunta voi ensimmäistä kertaa testata suoraan erityissuhteellisuusteorian periaatteita makroskooppisten mittausten avulla. Vertailemalla relativistisella kameralla kerättyjä havaintoja ja maasta kerättyjä havaintoja tähtitieteilijät voisivat testata tarkasti Einsteinin suhteellisuusteorian perustavanlaatuisia ennusteita, jotka koskevat taajuuden, valovirran ja valon kulkusuunnan muutosta eri lepotiloissa.

Vertailtuna Starshot-projektin perimmäisiin päämääriin maailmankaikkeuden havainnoimisen relativistisilla kameroilla pitäisi olla helpompaa. Tähtitieteilijöiden ei tarvitsisi huolehtia kameran suuntaamisesta, sillä se voisi saada mielenkiintoisia tuloksia, kun se lähetetään mihin suuntaan tahansa. Tiedonsiirto-ongelma helpottuu jonkin verran, koska etäisyydet eivät olisi niin suuria. Sama koskee kameran suojaamisen teknistä vaikeutta.

Ehdotamme, että relativististen kameroiden kokeileminen tähtitieteellisissä havainnoissa voisi olla edelläkävijä koko Starshot-projektille. Ja ihmiskunta saisi uuden tähtitieteellisen ”observatorion” maailmankaikkeuden tutkimiseen ennennäkemättömällä tavalla. Historia osoittaa, että tällaisen uuden ikkunan avaaminen paljastaa monia aiemmin huomaamattomia aarteita.

Tämä artikkeli julkaistiin alun perin The Conversation -sivustolla. Lue alkuperäinen artikkeli.