Asztronómia a fény sebességével

A következő esszét a The Conversation, a legújabb kutatásokkal foglalkozó online kiadvány engedélyével közöljük.

A csillagászok egyre fejlettebb technikákkal igyekeznek megfigyelni a világegyetemet. Valahányszor a kutatók feltalálnak egy új módszert, soha nem látott információk gyűlnek össze, és az emberek egyre jobban megértik a kozmoszt.”

Az internetes befektető és tudományos filantróp Jurij Milner, a néhai fizikus Stephen Hawking és a Facebook vezérigazgatója, Mark Zuckerberg 2016 áprilisában jelentett be egy ambiciózus programot, amelynek célja, hogy kamerákat lőjenek messze a Naprendszeren túlra. A “Breakthrough Starshot” elnevezésű program lényege, hogy egy csomó apró nanoűrhajót küldenek a Nap legközelebbi csillagszomszédjához, a háromcsillagos Alfa Centauri rendszerhez. Az űrhajók és apró kameráik a fénysebesség mintegy 20 százalékával – tehát akár 100 millió mérföld per órával – haladva a rendszer legkisebb, de legközelebbi csillagát, a Proxima Centari-t és annak Proxima b, 4 bolygóját vennék célba.26 fényévre a Földtől.

A Breakthrough Starshot célja egy fénysugárral hajtott “nano-jármű” koncepciójának bizonyítása.

A Breakthrough Starshot csapatának célja számos, még nem bizonyított technológiára támaszkodik. A terv az, hogy fényvitorlákkal messzebbre és gyorsabban juttatják el ezeket az űrhajókat, mint eddig bármi mást – a Földről érkező lézerek a szupervékony és fényvisszaverő vitorlákon keresztül tolják majd az apró hajókat. Van egy másik ötletem is, amely erre a technológiára épülhetne, mivel a projekt már javában zajlik: A kutatók értékes adatokhoz juthatnának ezekből a mobil obszervatóriumokból, akár közvetlenül is tesztelhetnék Einstein speciális relativitáselméletét, jóval azelőtt, hogy az Alfa Centauri közelébe érnének.

Technikai kihívások sokasága

A Breakthrough Starshot céljának elérése korántsem könnyű feladat. A projekt három egymástól független fronton történő folyamatos technológiai fejlesztésre támaszkodik.

Először is, a kutatóknak drasztikusan csökkenteniük kell a kamera elkészítéséhez szükséges mikroelektronikai alkatrészek méretét és súlyát. A tervek szerint minden egyes nanorobot összesen nem lehet több néhány grammnál – és ebbe nemcsak a kamerát, hanem más hasznos terheket is bele kell számítani, beleértve az áramellátást és a kommunikációs berendezéseket.

A másik kihívás a kamera “vitorlájaként” szolgáló vékony, ultrakönnyű és nagy fényvisszaverő képességű anyagok megalkotása lesz. Az egyik lehetőség az egyrétegű grafén vitorla – mindössze egy molekula vastag, mindössze 0,345 nanométer.

A Breakthrough Starshot csapat számára előnyös lesz a lézersugarak növekvő teljesítménye és csökkenő ára. A kamerák földről történő felgyorsításához 100 gigawatt teljesítményű lézerekre van szükség. Ahogyan a szél feltölti egy vitorlás vitorláját és előre tolja azt, úgy a nagy energiájú lézersugár fotonjai egy ultrakönnyű, visszapattanó fényvisszaverő vitorlát is előre tudnak hajtani.

A technológia tervezett fejlődési üteme mellett valószínűleg még legalább két évtizedet kell várni arra, hogy a tudósok a fénysebesség jelentős töredékének megfelelő sebességgel közlekedő kamerát indíthassanak.

Még ha sikerülne is megépíteni és felgyorsítani egy ilyen kamerát, számos további kihívást kell leküzdeni ahhoz, hogy teljesüljön az álom, az Alfa Centauri rendszer elérése. Vajon a kutatók képesek lesznek-e a kamerákat helyesen megcélozni, hogy elérjék a csillagrendszert? Egyáltalán túléli-e a kamera a közel 20 éves utat anélkül, hogy megsérülne? És ha sikerül legyőzni az esélyeket, és az utazás jól megy, lehetséges lesz-e az adatok – mondjuk képek – továbbítása a Földre ilyen hatalmas távolságon keresztül?

A “relativisztikus csillagászat” bevezetése

Munkatársammal, Kunyang Li-vel, a Georgia Institute of Technology végzős hallgatójával, még azelőtt látunk lehetőséget mindezekben a technológiákban, hogy tökéletesednének és készen állnának az Alfa Centauri felé indulásra.

Amikor egy kamera közel fénysebességgel halad az űrben – amit “relativisztikus sebességnek” nevezhetünk -, Einstein speciális relativitáselmélete szerepet játszik abban, hogy a kamera által készített képek hogyan módosulnak. Einstein elmélete szerint a különböző “nyugalmi keretekben” a megfigyelők különbözőképpen mérik a tér és az idő hosszát. Vagyis a tér és az idő relatív. Az, hogy a két megfigyelő mennyire különbözően méri a dolgokat, attól függ, hogy milyen gyorsan mozognak egymáshoz képest. Ha a relatív sebesség közel van a fénysebességhez, a megfigyeléseik jelentősen eltérhetnek egymástól.

A speciális relativitáselmélet számos más dolgot is befolyásol, amit a fizikusok mérnek – például a fény frekvenciáját és intenzitását, valamint egy tárgy megjelenésének méretét. A kamera nyugalmi rendszerében az egész világegyetem a fénysebesség jó töredékével mozog a kamera saját mozgásával ellentétes irányban. A fedélzeten tartózkodó képzeletbeli személy számára az általa és mindenki által a Földön tapasztalt eltérő téridőnek köszönhetően egy csillag vagy galaxis fénye kékebbnek, fényesebbnek és tömörebbnek tűnne, és a két objektum közötti szögtávolság is kisebbnek tűnne.

A mi ötletünk az, hogy kihasználjuk a speciális relativitáselmélet ezen tulajdonságait, és a relativisztikus kamera eltérő téridőbeli nyugalmi rendszerében megfigyeljük az ismerős objektumokat. Ez új módot biztosíthat a csillagászat tanulmányozására – amit mi “relativisztikus csillagászatnak” nevezünk.”

Mit rögzíthetne a kamera?

A relativisztikus kamera tehát természetesen spektrográfként szolgálna, lehetővé téve a kutatók számára, hogy a fény egy eredendően vörösebb sávját vizsgálják. Objektívként működne, felnagyítva a begyűjtött fénymennyiséget. És széles látómezejű kamera lenne, ami lehetővé tenné a csillagászok számára, hogy több objektumot figyeljenek meg a kamera látómezején belül.

Itt egy példa arra, hogy milyen adatokat gyűjthetünk a relativisztikus kamerával. Az univerzum tágulása miatt a korai univerzumból származó fény a Földre érkezéskor már vörösebb, mint a kezdetekkor. A fizikusok ezt a hatást vöröseltolódásnak nevezik: A fény útja során a hullámhossza megnyúlik, ahogy a világegyetemmel együtt tágul. A vörös fény hullámhossza hosszabb, mint a kék fényé. Mindez azt jelenti, hogy ahhoz, hogy a fiatal univerzumból származó vöröseltolódott fényt lássuk, a nehezen megfigyelhető infravörös hullámhosszakon kell gyűjteni.

Elérkezik a relativisztikus kamera. Egy közel fénysebességgel mozgó kamera számára az ilyen vöröseltolódott fény kékesebbé válik – vagyis most már kékeseltolódott. A kamera mozgásának hatása ellensúlyozza a világegyetem tágulásának hatását. Most egy csillagász elkaphatná ezt a fényt a jól ismert látható fényű kamerával. Ugyanez a Doppler-erősítő hatás lehetővé teszi azt is, hogy a korai világegyetem gyenge fénye felerősödjön, ami segíti az észlelést. A távoli objektumok színképi jellemzőinek megfigyelése lehetővé teheti számunkra, hogy feltárjuk a korai világegyetem történetét, különösen azt, hogyan fejlődött a világegyetem, miután 380 000 évvel az ősrobbanás után átlátszóvá vált.

A relativisztikus csillagászat másik izgalmas aspektusa, hogy az emberiség most először makroszkopikus mérésekkel közvetlenül tesztelheti a speciális relativitáselmélet elveit. A relativisztikus kamerával és a földről gyűjtött megfigyelések összehasonlításával a csillagászok pontosan tesztelhetik Einstein relativitáselméletének alapvető jóslatait a frekvencia, a fényáram és a fény haladási irányának változására vonatkozóan a különböző nyugalmi rendszerekben.

A Starshot projekt végső céljaihoz képest a világegyetem megfigyelése relativisztikus kamerákkal könnyebbnek kell lennie. A csillagászoknak nem kellene aggódniuk a kamera irányítása miatt, mivel az bármilyen irányba küldve érdekes eredményeket kaphatna. Az adatátviteli probléma némileg enyhülne, mivel a távolságok nem lennének olyan nagyok. Ugyanez vonatkozik a kamera védelmének technikai nehézségére is.

Azt javasoljuk, hogy a relativisztikus kamerák kipróbálása csillagászati megfigyelésekhez a teljes Starshot projekt előfutára lehetne. És az emberiségnek lesz egy új csillagászati “obszervatóriuma”, amellyel példátlan módon tanulmányozhatja az univerzumot. A történelem azt sugallja, hogy egy ilyen új ablak megnyitása sok, eddig felfedezetlen kincset fog feltárni.

Ez a cikk eredetileg a The Conversation oldalon jelent meg. Olvassa el az eredeti cikket.