Astronomy at the Speed of Light

以下のエッセイは、最新の研究を扱うオンライン出版物「The Conversation」の許可を得て転載しています

天文学者は、より高度な技術を使って宇宙を観測しようと努力しています。 研究者が新しい方法を発明するたびに、前例のない情報が集められ、人々の宇宙への理解が深まります。

2016年4月、インターネット投資家で科学慈善家のユーリ・ミルナー、物理学者の故ホーキング博士、FacebookのCEOマーク・ザッカーバーグによって、太陽系をはるかに超えたカメラを爆破する野心的なプログラムが発表されました。 Breakthrough Starshot」と名付けられたこのアイデアは、太陽に最も近い恒星の隣人、3つ星のアルファ・ケンタウリ星系に小さなナノ宇宙船の束を送り込むというものだ。 光速の20パーセント、つまり時速1億マイルで移動する探査機とその小型カメラは、この星系の中で最も小さいが最も近い恒星プロキシマ・センタリとその惑星プロキシマb（4.5億km）を目指す。5578>

Breakthrough Starshotは、光線によって駆動する「ナノクラフト」の概念実証を確立することを目指しています。

ブレークスルー スターショット チームの目標は、まだ証明されていない多くの技術に依存します。 地球上のレーザーが、超薄型で反射率の高い帆を使って、小さな宇宙船を押し進めるのです。 このプロジェクトが始動したとき、私はこの技術を利用した別のアイデアを思いつきました。 研究者は、アルファ・ケンタウリに近づくずっと前に、これらの移動観測所から貴重なデータを取得し、アインシュタインの特殊相対性理論を直接検証することもできます。 このプロジェクトは、3 つの独立した側面での継続的な技術開発に依存しています。

まず、研究者は、カメラを作るためのマイクロエレクトロニクス コンポーネントのサイズと重量を劇的に減らす必要があります。 各ナノクラフトは、合計で数グラム以下になるように計画されており、それにはカメラだけでなく、電源や通信機器などの他のペイロードも含まれなければなりません。

もう1つの課題は、カメラの「帆」として機能する薄くて超軽量かつ高反射率の材料を作ることです。 1つの可能性は、単層のグラフェン セイル（厚さわずか0.345ナノメートルの分子）を持つことです。

ブレークスルー スターショット チームは、レーザービームの出力上昇とコスト低下の恩恵を受けることになります。 地上からカメラを加速させるためには、100ギガワットのパワーを持つレーザーが必要です。 ちょうど風がヨットの帆を満たし、それを前に押し出すように、高エネルギーのレーザービームからの光子は、跳ね返りながら超軽量の反射帆を前に推進することができます。

そのようなカメラを作り、加速できたとしても、アルファ・ケンタウリ星系に到達するという夢を実現するためには、さらにいくつかの課題を克服しなければならない。 研究者たちは、恒星系に到達するようにカメラの照準を正しく合わせることができるのか？ 20年近い旅を、カメラは損傷することなく乗り切ることができるのだろうか？

「相対論的天文学」の紹介

ジョージア工科大学の大学院生、クンヤン・リーと私は、これらの技術が完成してアルファケンタウリに向かう前であっても、すべての技術に可能性を見いだしています。

カメラが光速に近い速度で宇宙空間を移動する場合、つまり「相対論的速度」とでもいうべきものですが、アインシュタインの特殊相対性理論が、カメラが撮影する画像の修正に一役買っています。 アインシュタインの理論では、「静止フレーム」が異なると、観測者は空間と時間の長さを異なった尺度で測ることになります。 つまり、空間と時間は相対的なものなのです。 2人の観測者の測定値がどの程度異なるかは、互いの移動速度に依存します。

特殊相対性理論は、物理学者が測定する他の多くの事柄、たとえば光の周波数や強度、また物体の見た目の大きさにも影響を及ぼしています。 カメラの静止画では、宇宙全体が光速の何分の一かの速さで、カメラ自身の動きと反対方向に動いています。

私たちのアイデアは、このような特殊相対性理論の特徴を利用して、身近な物体を相対論カメラの異なる時空の静止枠で観測することです。

カメラで何が撮れるか？

ですから、相対論的カメラは当然分光器として機能し、研究者が本質的に赤い光の帯を見ることができるようになります。 レンズの役割も果たし、集めた光を拡大する。

相対論的カメラを使って収集できるデータの一例を紹介します。 宇宙の膨張により、初期宇宙からの光は、地球に到達する頃には、出発したときよりも赤くなっています。 これを物理学者は赤方偏移と呼んでいる。 光は宇宙とともに膨張するため、波長が伸びるのです。 赤い光は青い光よりも波長が長いのです。 つまり、若い宇宙からの赤方偏移した光を見るには、観測しにくい赤外線の波長を使って光を集めなければならないのです。 光速に近い速度のカメラでは、赤方偏移した光は青方偏移した光になります。 これは、宇宙膨張の影響をカメラの運動が打ち消すためです。 このような光を、天文学者は身近な可視光カメラでとらえることができるのです。 また、ドップラー効果により、宇宙初期の微弱な光も増幅され、検出しやすくなります。

相対論的天文学のもう一つの大きな特徴は、人類が初めて巨視的な観測によって、特殊相対性理論の原理を直接確かめることができることです。 相対論的カメラと地上からの観測を比較することで、異なる静止フレームにおける周波数、フラックス、光の進行方向の変化に関するアインシュタインの相対性理論の基本的な予測を正確に検証することができるのです。 どの方向に送っても面白い結果が得られるので、天文学者はカメラの向きを気にする必要はないでしょう。 データ通信の問題も、距離がそれほど離れていないため、多少は軽減されるでしょう。

私たちは、天体観測用の相対論的カメラを試すことが、スターショット・プロジェクトの前身となることを提案します。 そして人類は、前例のない方法で宇宙を研究するための、新しい天文「観測所」を手に入れることになるのです。 歴史は、このような新しい窓を開けることで、これまで発見されていなかった多くの宝物が明らかになることを示唆しています。

この記事はThe Conversationに掲載されたものです。 元記事を読む.