Astronomie met de snelheid van het licht

Het volgende essay is met toestemming overgenomen uit The Conversation, een online publicatie over het nieuwste onderzoek.

Astronomen streven ernaar om het universum via steeds geavanceerdere technieken te observeren. Telkens wanneer onderzoekers een nieuwe methode uitvinden, wordt ongekende informatie verzameld en verdiept het begrip van mensen van de kosmos.

Een ambitieus programma om camera’s ver voorbij het zonnestelsel te stralen, werd in april 2016 aangekondigd door internetinvesteerder en wetenschapsfilantroop Yuri Milner, wijlen natuurkundige Stephen Hawking en Facebook CEO Mark Zuckerberg. Het idee, “Breakthrough Starshot” genaamd, is om een stel piepkleine nano-ruimtevaartuigen naar de naaste stellaire buur van de zon te sturen, het driesterrenstelsel Alpha Centauri. Reizend met ongeveer 20% van de lichtsnelheid – dus met een snelheid van 100 miljoen mijl per uur – zouden de vaartuigen en hun piepkleine camera’s zich richten op de kleinste maar meest nabije ster in het systeem, Proxima Centari, en zijn planeet Proxima b, op 4,26 lichtjaar van de aarde.26 lichtjaar van de aarde.

Breakthrough Starshot wil het bewijs leveren van het concept voor een ‘nanocraft’ aangedreven door een lichtstraal.

Het doel van het Breakthrough Starshot-team zal steunen op een aantal nog niet bewezen technologieën. Het plan is om lichtzeilen te gebruiken om deze ruimteschepen verder en sneller te laten vliegen dan alles wat er ooit is geweest – lasers op aarde zullen de kleine schepen voortstuwen via hun superdunne en reflecterende zeilen. Ik heb nog een idee dat op deze technologie kan voortborduren nu het project wordt opgestart: Onderzoekers zouden waardevolle gegevens kunnen krijgen van deze mobiele observatoria, en zelfs rechtstreeks Einsteins speciale relativiteitstheorie kunnen testen, lang voordat ze ook maar in de buurt van Alpha Centauri komen.

Technische uitdagingen in overvloed

Het bereiken van het doel van Breakthrough Starshot is zeker geen gemakkelijke taak. Het project is afhankelijk van voortdurende technologische ontwikkeling op drie onafhankelijke fronten.

Voreerst zullen onderzoekers de grootte en het gewicht van micro-elektronische componenten drastisch moeten verminderen om een camera te maken. Het is de bedoeling dat elk nanocraft niet meer dan een paar gram in totaal weegt – en dat zal niet alleen de camera moeten omvatten, maar ook andere payloads zoals stroomvoorziening en communicatieapparatuur.

Een andere uitdaging zal zijn om dunne, ultralichte en sterk reflecterende materialen te bouwen die als het “zeil” voor de camera kunnen dienen. Een mogelijkheid is om een enkel-laag grafeen zeil te hebben – slechts een molecuul dik, slechts 0,345 nanometer.

Het Breakthrough Starshot team zal profiteren van de toenemende kracht en dalende kosten van laserstralen. Lasers met een vermogen van 100 Gigawatt zijn nodig om de camera’s vanaf de grond te versnellen. Net zoals de wind de zeilen van een zeilboot vult en vooruit duwt, kunnen de fotonen van een hoogenergetische laserstraal een ultralicht reflecterend zeil vooruit stuwen terwijl ze terugkaatsen.

Met het verwachte tempo van de technologische ontwikkeling zal het waarschijnlijk nog minstens twee decennia duren voordat wetenschappers een camera kunnen lanceren die reist met een snelheid die een significante fractie is van de snelheid van het licht.

Zelfs als zo’n camera zou kunnen worden gebouwd en versneld, moeten er nog verschillende uitdagingen worden overwonnen om de droom van het bereiken van het Alfa Centauri-stelsel te verwezenlijken. Kunnen onderzoekers de camera’s goed richten zodat ze het sterrensysteem bereiken? Kan de camera de bijna 20 jaar durende reis overleven zonder beschadigd te raken? En als het lukt en de reis goed verloopt, is het dan mogelijk om de gegevens, bijvoorbeeld beelden, over zo’n grote afstand naar de aarde te zenden?

Inleiding tot ‘relativistische astronomie’

Mijn medewerker Kunyang Li, een afgestudeerde student aan het Georgia Institute of Technology, en ik zien potentieel in al deze technologieën, zelfs voordat ze geperfectioneerd zijn en klaar om naar Alpha Centauri te vertrekken.

Wanneer een camera door de ruimte reist met een snelheid die de lichtsnelheid benadert – wat je “relativistische snelheid” zou kunnen noemen – speelt Einsteins speciale relativiteitstheorie een rol in hoe de beelden die door de camera worden genomen, zullen worden gewijzigd. Einsteins theorie stelt dat waarnemers in verschillende “rustframes” verschillende maten hebben voor de lengten van ruimte en tijd. Dat wil zeggen dat ruimte en tijd relatief zijn. Hoe verschillend de twee waarnemers de dingen meten, hangt af van hoe snel ze ten opzichte van elkaar bewegen. Als de relatieve snelheid dicht bij de lichtsnelheid ligt, kunnen hun waarnemingen aanzienlijk verschillen.

De speciale relativiteit heeft ook invloed op veel andere dingen die natuurkundigen meten – bijvoorbeeld de frequentie en intensiteit van licht en ook de grootte van het uiterlijk van een object. In het rustframe van de camera beweegt het hele heelal met een fractie van de lichtsnelheid in de tegengestelde richting van de eigen beweging van de camera. Voor een denkbeeldig persoon aan boord zou, dankzij de verschillende ruimtetijden die hij en iedereen op aarde ervaart, het licht van een ster of sterrenstelsel blauwer, helderder en compacter lijken, en zou de hoekafstand tussen twee objecten kleiner lijken.

Ons idee is om gebruik te maken van deze kenmerken van speciale relativiteit om bekende objecten waar te nemen in het andere ruimtetijd-rustframe van de relativistische camera. Dit kan een nieuwe manier opleveren om de astronomie te bestuderen – wat wij “relativistische astronomie” noemen.

Wat zou de camera kunnen vastleggen?

Zo zou een relativistische camera natuurlijk dienst doen als spectrograaf, waardoor onderzoekers naar een intrinsiek rodere lichtband zouden kunnen kijken. Hij zou werken als een lens, die de hoeveelheid licht die hij opvangt vergroot. En het zou een breedveldcamera zijn, waardoor astronomen meer objecten kunnen waarnemen binnen hetzelfde gezichtsveld van de camera.

Hier ziet u een voorbeeld van het soort gegevens dat we met de relativistische camera zouden kunnen verzamelen. Door de uitdijing van het heelal is het licht van het vroege heelal roder tegen de tijd dat het de aarde bereikt, dan toen het begon. Natuurkundigen noemen dit effect roodverschuiving: Terwijl het licht reist, rekt de golflengte ervan uit naarmate het uitdijt met het heelal. Rood licht heeft een langere golflengte dan blauw licht. Dit alles betekent dat om roodverschoven licht uit het jonge heelal te zien, men de moeilijk waarneembare infrarode golflengten moet gebruiken om het te verzamelen.

En nu de relativistische camera. Voor een camera die beweegt met de lichtsnelheid dicht genaderd, wordt zulk roodverschoven licht blauwer-dat wil zeggen, het is nu blauwverschoven. Het effect van de beweging van de camera gaat het effect van de uitdijing van het heelal tegen. Nu zou een astronoom dat licht kunnen opvangen met de bekende zichtbaar-lichtcamera. Hetzelfde Doppler versterkende effect zorgt er ook voor dat het zwakke licht van het vroege heelal wordt versterkt, wat de detectie vergemakkelijkt. Door de spectrale kenmerken van verre objecten te observeren, kunnen we de geschiedenis van het vroege heelal onthullen, met name hoe het heelal zich ontwikkelde nadat het 380.000 jaar na de oerknal transparant werd.

Een ander opwindend aspect van relativistische astronomie is dat de mensheid de principes van de speciale relativiteit voor het eerst rechtstreeks kan testen met behulp van macroscopische metingen. Door de met de relativistische camera verzamelde waarnemingen te vergelijken met die welke vanaf de grond zijn verzameld, zouden astronomen de fundamentele voorspellingen van Einsteins relativiteit met betrekking tot verandering van frequentie, flux en lichtreisrichting in verschillende rustframes nauwkeurig kunnen testen.

Vergeleken met de uiteindelijke doelen van het Starshot-project, zou het observeren van het heelal met behulp van relativistische camera’s eenvoudiger moeten zijn. Astronomen zouden zich geen zorgen hoeven te maken over het richten van de camera, omdat deze interessante resultaten zou kunnen opleveren als hij in elke richting wordt gestuurd. Het probleem van de gegevensoverdracht wordt enigszins verlicht omdat de afstanden niet zo groot zouden zijn. Hetzelfde geldt voor de technische moeilijkheid om de camera te beschermen.

Wij stellen voor dat het uitproberen van relativistische camera’s voor astronomische waarnemingen een voorloper zou kunnen zijn van het volledige Starshot-project. En de mensheid zal een nieuw astronomisch “observatorium” hebben om het heelal op een ongekende manier te bestuderen. De geschiedenis suggereert dat het openen van een nieuw venster als dit veel eerder onontdekte schatten zal onthullen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.