L’astronomie à la vitesse de la lumière

L’essai suivant est reproduit avec la permission de The Conversation, une publication en ligne couvrant les dernières recherches.

Les astronomes s’efforcent d’observer l’univers via des techniques toujours plus avancées. Chaque fois que les chercheurs inventent une nouvelle méthode, des informations sans précédent sont recueillies et la compréhension du cosmos par les gens s’approfondit.

Un programme ambitieux visant à faire exploser des caméras bien au-delà du système solaire a été annoncé en avril 2016 par l’investisseur Internet et philanthrope scientifique Yuri Milner, le regretté physicien Stephen Hawking et le PDG de Facebook Mark Zuckerberg. Baptisée « Breakthrough Starshot », l’idée est d’envoyer un groupe de minuscules nano-vaisseaux spatiaux vers le voisin stellaire le plus proche du soleil, le système à trois étoiles Alpha Centauri. Voyageant à environ 20 % de la vitesse de la lumière – donc à une vitesse de 100 millions de miles par heure – les engins et leurs minuscules caméras viseraient l’étoile la plus petite mais la plus proche du système, Proxima Centari, et sa planète Proxima b, à 4.26 années-lumière de la Terre.

Breakthrough Starshot vise à établir la preuve du concept d’un « nanocraft » mû par un faisceau lumineux.

L’objectif de l’équipe de Breakthrough Starshot s’appuiera sur un certain nombre de technologies encore non éprouvées. Le plan consiste à utiliser des voiles lumineuses pour amener ces vaisseaux spatiaux plus loin et plus vite que tout ce qui a été fait auparavant – les lasers sur Terre pousseront les minuscules vaisseaux via leurs voiles super minces et réfléchissantes. J’ai une autre idée qui pourrait s’appuyer sur cette technologie alors que le projet se prépare : Les chercheurs pourraient obtenir des données précieuses de ces observatoires mobiles, voire tester directement la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, bien avant qu’ils ne s’approchent d’Alpha Centauri.

Les défis techniques abondent

Réaliser l’objectif de Breakthrough Starshot n’est en aucun cas une tâche facile. Le projet repose sur un développement technologique continu sur trois fronts indépendants.

Premièrement, les chercheurs devront réduire considérablement la taille et le poids des composants microélectroniques pour fabriquer une caméra. Chaque nano-avion ne devrait pas peser plus de quelques grammes au total – et cela devra inclure non seulement la caméra, mais aussi d’autres charges utiles, notamment l’alimentation électrique et les équipements de communication.

Un autre défi consistera à construire des matériaux minces, ultralégers et hautement réfléchissants pour servir de « voile » à la caméra. Une possibilité est d’avoir une voile en graphène monocouche – juste une molécule d’épaisseur, seulement 0,345 nanomètre.

L’équipe Breakthrough Starshot bénéficiera de la puissance croissante et du coût décroissant des faisceaux laser. Des lasers d’une puissance de 100 gigawatts sont nécessaires pour accélérer les caméras depuis le sol. Tout comme le vent remplit les voiles d’un voilier et le pousse vers l’avant, les photons d’un faisceau laser à haute énergie peuvent propulser une voile réfléchissante ultralégère vers l’avant en rebondissant.

Avec le taux de développement technologique prévu, il faudra probablement encore au moins deux décennies avant que les scientifiques puissent lancer une caméra se déplaçant à une vitesse représentant une fraction significative de la vitesse de la lumière.

Même si une telle caméra pouvait être construite et accélérée, plusieurs autres défis doivent être relevés pour réaliser le rêve d’atteindre le système Alpha Centauri. Les chercheurs peuvent-ils orienter correctement les caméras pour qu’elles atteignent le système stellaire ? La caméra peut-elle même survivre à ce voyage de près de 20 ans sans être endommagée ? Et si elle surmonte les obstacles et que le voyage se déroule bien, sera-t-il possible de transmettre les données – par exemple, les images – à la Terre sur une distance aussi énorme ?

Introduction à l' »astronomie relativiste »

Mon collaborateur Kunyang Li, un étudiant diplômé de l’Institut de technologie de Géorgie, et moi voyons le potentiel de toutes ces technologies avant même qu’elles ne soient perfectionnées et prêtes à partir pour Alpha Centauri.

Lorsqu’une caméra voyage dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière – ce que l’on pourrait appeler la « vitesse relativiste » – la théorie spéciale de la relativité d’Einstein joue un rôle dans la façon dont les images prises par la caméra seront modifiées. La théorie d’Einstein stipule que dans différents « cadres de repos », les observateurs ont des mesures différentes des longueurs de l’espace et du temps. Autrement dit, l’espace et le temps sont relatifs. La différence de mesure entre les deux observateurs dépend de la vitesse à laquelle ils se déplacent l’un par rapport à l’autre. Si la vitesse relative est proche de la vitesse de la lumière, leurs observations peuvent différer de manière significative.

La relativité restreinte affecte également de nombreuses autres choses que les physiciens mesurent – par exemple, la fréquence et l’intensité de la lumière, mais aussi la taille de l’apparence d’un objet. Dans le cadre de repos de la caméra, l’univers entier se déplace à une bonne fraction de la vitesse de la lumière dans la direction opposée au mouvement propre de la caméra. Pour une personne imaginaire à bord, grâce aux différents espaces-temps vécus par elle et tout le monde sur Terre, la lumière d’une étoile ou d’une galaxie semblerait plus bleue, plus brillante et plus compacte, et la séparation angulaire entre deux objets semblerait plus petite.

Notre idée est de tirer parti de ces caractéristiques de la relativité restreinte pour observer des objets familiers dans le cadre de repos de l’espace-temps différent de la caméra relativiste. Cela peut fournir un nouveau mode d’étude de l’astronomie – ce que nous appelons « l’astronomie relativiste ».

Que pourrait capturer la caméra ?

Donc, une caméra relativiste servirait naturellement de spectrographe, permettant aux chercheurs de regarder une bande de lumière intrinsèquement plus rouge. Elle agirait comme une lentille, grossissant la quantité de lumière qu’elle recueille. Et elle serait une caméra à grand champ, permettant aux astronomes d’observer davantage d’objets dans le même champ de vision de la caméra.

Voici un exemple du type de données que nous pourrions recueillir en utilisant la caméra relativiste. En raison de l’expansion de l’univers, la lumière de l’univers primitif est plus rouge au moment où elle atteint la Terre que lorsqu’elle a commencé. Les physiciens appellent cet effet « redshifting » : Au fur et à mesure que la lumière se déplace, sa longueur d’onde s’étire, car elle s’étend avec l’univers. La lumière rouge a des longueurs d’onde plus grandes que la lumière bleue. Tout cela signifie que pour voir la lumière décalée vers le rouge provenant du jeune univers, il faut utiliser les longueurs d’onde infrarouges difficiles à observer pour la recueillir.

Entrez dans la caméra relativiste. Pour une caméra qui se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière, cette lumière décalée vers le rouge devient plus bleue – c’est-à-dire qu’elle est maintenant décalée vers le bleu. L’effet du mouvement de la caméra contrebalance l’effet de l’expansion de l’univers. Un astronome pourrait maintenant capter cette lumière à l’aide de la caméra à lumière visible habituelle. Le même effet d’amplification Doppler permet également d’amplifier la faible lumière de l’univers primitif, ce qui facilite la détection. L’observation des caractéristiques spectrales des objets lointains peut nous permettre de révéler l’histoire de l’univers primitif, en particulier la façon dont l’univers a évolué après être devenu transparent 380 000 ans après le Big Bang.

Un autre aspect passionnant de l’astronomie relativiste est que l’humanité peut tester directement les principes de la relativité restreinte en utilisant des mesures macroscopiques pour la première fois. En comparant les observations recueillies sur la caméra relativiste et celles recueillies au sol, les astronomes pourraient tester avec précision les prédictions fondamentales de la relativité d’Einstein concernant le changement de fréquence, de flux et de direction du voyage de la lumière dans différents cadres de repos.

Par rapport aux objectifs ultimes du projet Starshot, l’observation de l’univers à l’aide de caméras relativistes devrait être plus facile. Les astronomes n’auraient pas à se soucier de la visée de la caméra, puisqu’elle pourrait obtenir des résultats intéressants lorsqu’elle est envoyée dans n’importe quelle direction. Le problème de la transmission des données est quelque peu atténué puisque les distances ne seraient pas aussi grandes. Idem pour la difficulté technique de protéger la caméra.

Nous proposons que l’essai de caméras relativistes pour les observations astronomiques puisse être un précurseur du projet Starshot complet. Et l’humanité disposera d’un nouvel « observatoire » astronomique pour étudier l’univers d’une manière sans précédent. L’histoire suggère que l’ouverture d’une nouvelle fenêtre comme celle-ci dévoilera de nombreux trésors non détectés auparavant.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lisez l’article original.