Astronomia alla velocità della luce

Il seguente saggio è ristampato con il permesso di The Conversation, una pubblicazione online che copre le ultime ricerche.

Gli astronomi si sforzano di osservare l’universo attraverso tecniche sempre più avanzate. Ogni volta che i ricercatori inventano un nuovo metodo, vengono raccolte informazioni senza precedenti e la comprensione del cosmo si approfondisce.

Un programma ambizioso per far esplodere le telecamere ben oltre il sistema solare è stato annunciato nell’aprile 2016 dall’investitore internet e filantropo della scienza Yuri Milner, dal defunto fisico Stephen Hawking e dal CEO di Facebook Mark Zuckerberg. Chiamato “Breakthrough Starshot”, l’idea è quella di inviare un gruppo di minuscole nano-navi spaziali al vicino stellare più vicino al sole, il sistema a tre stelle Alpha Centauri. Viaggiando a circa il 20 per cento della velocità della luce – quindi veloce come 100 milioni di miglia all’ora – le imbarcazioni e le loro piccole telecamere mirerebbero alla stella più piccola ma più vicina del sistema, Proxima Centari, e il suo pianeta Proxima b, 4.26 anni luce dalla Terra.

Breakthrough Starshot mira a stabilire la prova di concetto per una ‘nanocraft’ guidata da un raggio di luce.

L’obiettivo del team Breakthrough Starshot si baserà su una serie di tecnologie non ancora provate. Il piano è quello di utilizzare le vele luminose per portare queste navicelle più lontano e più veloce di qualsiasi cosa che è venuto prima – i laser sulla Terra spingeranno le piccole navi attraverso le loro vele super-sottili e riflettenti. Ho un’altra idea che potrebbe sfruttare questa tecnologia mentre il progetto si sta preparando: I ricercatori potrebbero ottenere dati preziosi da questi osservatori mobili, persino testare direttamente la teoria della relatività speciale di Einstein, molto prima che si avvicinino ad Alpha Centauri.

Le sfide tecniche abbondano

Raggiungere l’obiettivo di Breakthrough Starshot non è affatto un compito facile. Il progetto si basa sul continuo sviluppo tecnologico su tre fronti indipendenti.

In primo luogo, i ricercatori dovranno diminuire drasticamente le dimensioni e il peso dei componenti microelettronici per realizzare una telecamera. Ogni nanocraft è progettato per essere non più di pochi grammi in totale – e questo dovrà includere non solo la telecamera, ma anche altri carichi utili tra cui l’alimentazione e le apparecchiature di comunicazione.

Un’altra sfida sarà quella di costruire materiali sottili, ultraleggeri e altamente riflettenti per servire come “vela” per la telecamera. Una possibilità è quella di avere una vela di grafene monostrato – solo una molecola di spessore, solo 0,345 nanometri.

Il team Breakthrough Starshot beneficerà della potenza crescente e del costo in calo dei raggi laser. Sono necessari laser con una potenza di 100 gigawatt per accelerare le telecamere da terra. Proprio come il vento riempie le vele di una barca a vela e la spinge in avanti, i fotoni di un raggio laser ad alta energia possono spingere una vela riflettente ultraleggera in avanti mentre rimbalzano indietro.

Con il tasso di sviluppo tecnologico previsto, ci vorranno probabilmente almeno altri due decenni prima che gli scienziati possano lanciare una telecamera che viaggi con una velocità una frazione significativa della velocità della luce.

Anche se una tale macchina fotografica potesse essere costruita e accelerata, molte altre sfide devono essere superate per realizzare il sogno di raggiungere il sistema Alpha Centauri. I ricercatori possono puntare correttamente le telecamere in modo da raggiungere il sistema stellare? La macchina fotografica può sopravvivere al viaggio di quasi 20 anni senza essere danneggiata? E se le probabilità saranno superate e il viaggio andrà bene, sarà possibile trasmettere i dati – ad esempio le immagini – alla Terra su una distanza così grande?

Introduzione all'”astronomia relativistica”

Il mio collaboratore Kunyang Li, uno studente laureato al Georgia Institute of Technology, e io vediamo un potenziale in tutte queste tecnologie anche prima che siano perfezionate e pronte a partire per Alpha Centauri.

Quando una macchina fotografica viaggia nello spazio a una velocità prossima a quella della luce – quella che si potrebbe chiamare “velocità relativistica” – la teoria speciale della relatività di Einstein gioca un ruolo nel modo in cui le immagini riprese dalla macchina fotografica saranno modificate. La teoria di Einstein afferma che in diversi “quadri di riposo” gli osservatori hanno misure diverse delle lunghezze dello spazio e del tempo. Cioè, lo spazio e il tempo sono relativi. Quanto diversamente i due osservatori misurano le cose dipende dalla velocità con cui si muovono l’uno rispetto all’altro. Se la velocità relativa è vicina alla velocità della luce, le loro osservazioni possono differire significativamente.

La relatività speciale influenza anche molte altre cose che i fisici misurano – per esempio, la frequenza e l’intensità della luce e anche le dimensioni dell’aspetto di un oggetto. Nel quadro di riposo della macchina fotografica, l’intero universo si muove a una buona frazione della velocità della luce nella direzione opposta a quella del moto della macchina fotografica stessa. Per una persona immaginaria a bordo, grazie al diverso spaziotempo vissuto da lui e da tutti sulla Terra, la luce di una stella o di una galassia apparirebbe più blu, più luminosa e più compatta, e la separazione angolare tra due oggetti sembrerebbe più piccola.

La nostra idea è di sfruttare queste caratteristiche della relatività speciale per osservare oggetti familiari nel diverso spaziotempo di riposo della telecamera relativistica. Questo può fornire un nuovo modo di studiare l’astronomia – quello che stiamo chiamando “astronomia relativistica”.

Cosa potrebbe catturare la macchina fotografica?

Così, una macchina fotografica relativistica servirebbe naturalmente come uno spettrografo, permettendo ai ricercatori di guardare una banda di luce intrinsecamente più rossa. Agirebbe come una lente, ingrandendo la quantità di luce che raccoglie. E sarebbe una fotocamera ad ampio campo, permettendo agli astronomi di osservare più oggetti all’interno dello stesso campo visivo della fotocamera.

Ecco un esempio del tipo di dati che potremmo raccogliere usando la fotocamera relativistica. A causa dell’espansione dell’universo, la luce del primo universo è più rossa quando raggiunge la Terra rispetto a quando è iniziata. I fisici chiamano questo effetto redshifting: Mentre la luce viaggia, la sua lunghezza d’onda si allunga mentre si espande insieme all’universo. La luce rossa ha lunghezze d’onda più lunghe della luce blu. Tutto questo significa che per vedere la luce spostata verso il rosso del giovane universo, bisogna usare le lunghezze d’onda dell’infrarosso, difficili da osservare, per raccoglierla.

Entrare nella macchina fotografica relativistica. Per una macchina fotografica che si muove ad una velocità prossima a quella della luce, tale luce spostata verso il rosso diventa più blu, cioè è ora spostata verso il blu. L’effetto del movimento della macchina fotografica contrasta l’effetto dell’espansione dell’universo. Ora un astronomo potrebbe catturare quella luce usando la familiare macchina fotografica a luce visibile. Lo stesso effetto Doppler permette anche di amplificare la debole luce dell’universo primordiale, favorendone il rilevamento. Osservare le caratteristiche spettrali di oggetti lontani può permetterci di rivelare la storia dell’universo primordiale, in particolare come l’universo si è evoluto dopo essere diventato trasparente 380.000 anni dopo il Big Bang.

Un altro aspetto eccitante dell’astronomia relativistica è che l’umanità può testare direttamente i principi della relatività speciale usando per la prima volta misure macroscopiche. Confrontando le osservazioni raccolte con la camera relativistica e quelle raccolte da terra, gli astronomi potrebbero testare con precisione le previsioni fondamentali della relatività di Einstein riguardo al cambiamento di frequenza, flusso e direzione del viaggio della luce in diversi fotogrammi di riposo.

Rispetto agli obiettivi finali del progetto Starshot, osservare l’universo usando camere relativistiche dovrebbe essere più facile. Gli astronomi non avrebbero bisogno di preoccuparsi di puntare la telecamera, dato che potrebbe ottenere risultati interessanti se inviata in qualsiasi direzione. Il problema della trasmissione dei dati è in qualche modo alleviato, dato che le distanze non sarebbero così grandi. Lo stesso vale per la difficoltà tecnica di proteggere la telecamera.

Proponiamo che provare le telecamere relativistiche per le osservazioni astronomiche potrebbe essere un precursore del progetto Starshot completo. E l’umanità avrà un nuovo “osservatorio” astronomico per studiare l’universo in un modo senza precedenti. La storia suggerisce che l’apertura di una nuova finestra come questa svelerà molti tesori precedentemente non scoperti.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l’articolo originale.