Astronomia z prędkością światła

Następujący esej został przedrukowany za zgodą z The Conversation, internetowej publikacji obejmującej najnowsze badania.

Astronomowie starają się obserwować wszechświat za pomocą coraz bardziej zaawansowanych technik. Ilekroć badacze wymyślają nową metodę, zbierane są bezprecedensowe informacje, a rozumienie kosmosu przez ludzi pogłębia się.

Ambitny program wysadzenia kamer daleko poza Układ Słoneczny został ogłoszony w kwietniu 2016 roku przez inwestora internetowego i filantropa nauki Jurija Milnera, zmarłego fizyka Stephena Hawkinga i dyrektora generalnego Facebooka Marka Zuckerberga. Nazwany „Breakthrough Starshot”, pomysł polega na wysłaniu gromady maleńkich nano-samolotów kosmicznych do najbliższego gwiezdnego sąsiada Słońca, trójgwiezdnego układu Alfa Centauri. Podróżując z prędkością około 20 procent prędkości światła, czyli tak szybko jak 100 milionów mil na godzinę, statki i ich maleńkie kamery będą celować w najmniejszą, ale najbliższą gwiazdę układu, Proximę Centari, i jej planetę Proximę b, znajdującą się 4.26 lat świetlnych od Ziemi.

Breakthrough Starshot ma na celu ustanowienie dowodu koncepcji dla „nanokraftu” napędzanego wiązką światła.

Cel zespołu Breakthrough Starshot będzie opierał się na wielu jeszcze niesprawdzonych technologiach. Plan zakłada użycie żagli świetlnych, które pozwolą tym statkom kosmicznym dotrzeć dalej i szybciej niż cokolwiek, co pojawiło się wcześniej – lasery na Ziemi będą popychać maleńkie statki przez ich supercienkie i odbijające światło żagle. Mam jeszcze jeden pomysł, który mógłby wykorzystać tę technologię w trakcie realizacji projektu: Naukowcy mogliby uzyskać cenne dane z tych mobilnych obserwatoriów, a nawet bezpośrednio przetestować teorię szczególnej względności Einsteina, na długo przed zbliżeniem się do Alfy Centauri.

Wyzwania techniczne obfitują

Osiągnięcie celu Breakthrough Starshot nie jest bynajmniej łatwym zadaniem. Projekt opiera się na ciągłym rozwoju technologicznym na trzech niezależnych frontach.

Po pierwsze, naukowcy będą musieli radykalnie zmniejszyć rozmiar i wagę komponentów mikroelektronicznych, aby stworzyć kamerę. Planuje się, że każdy nanokraft będzie ważył nie więcej niż kilka gramów – a to będzie musiało obejmować nie tylko kamerę, ale także inne ładunki, w tym zasilanie i sprzęt komunikacyjny.

Innym wyzwaniem będzie zbudowanie cienkich, ultralekkich i wysoce refleksyjnych materiałów, które posłużą jako „żagiel” dla kamery. Jedną z możliwości jest jednowarstwowy żagiel grafenowy – o grubości zaledwie jednej cząsteczki, zaledwie 0,345 nanometra.

Zespół Breakthrough Starshot skorzysta z rosnącej mocy i spadających kosztów wiązek laserowych. Lasery o mocy 100 gigawatów są potrzebne do przyspieszenia kamer z ziemi. Podobnie jak wiatr wypełnia żagle żaglówki i popycha ją do przodu, fotony z wysokoenergetycznej wiązki laserowej mogą napędzać ultralekki żagiel odblaskowy do przodu, gdy odbijają się od niego.

Przy przewidywanym tempie rozwoju technologii, prawdopodobnie miną jeszcze co najmniej dwie dekady, zanim naukowcy będą mogli uruchomić kamerę podróżującą z prędkością będącą znaczącym ułamkiem prędkości światła.

Nawet gdyby udało się zbudować i rozpędzić taką kamerę, trzeba pokonać jeszcze kilka wyzwań, aby spełnić marzenie o dotarciu do układu Alfa Centauri. Czy naukowcy będą w stanie prawidłowo wycelować kamerę tak, aby dotarła do układu gwiezdnego? Czy kamera może nawet przetrwać prawie 20-letnią podróż bez uszkodzeń? A jeśli pokona przeciwności losu i podróż przebiegnie pomyślnie, czy będzie możliwe przesłanie danych – na przykład obrazów – z powrotem na Ziemię na tak ogromną odległość?

Wprowadzenie do „astronomii relatywistycznej”

Mój współpracownik Kunyang Li, absolwent Georgia Institute of Technology, i ja widzimy potencjał we wszystkich tych technologiach, nawet zanim zostaną one udoskonalone i będą gotowe do wyruszenia do Alfa Centauri.

Gdy kamera podróżuje w przestrzeni z prędkością zbliżoną do prędkości światła – co można nazwać „prędkością relatywistyczną” – szczególna teoria względności Einsteina odgrywa rolę w tym, jak obrazy wykonane przez kamerę zostaną zmodyfikowane. Teoria Einsteina stwierdza, że w różnych „ramach spoczynkowych” obserwatorzy mają różne miary długości przestrzeni i czasu. Oznacza to, że przestrzeń i czas są względne. To, jak różnie dwaj obserwatorzy mierzą rzeczy, zależy od tego, jak szybko poruszają się względem siebie. Jeśli prędkość względna jest bliska prędkości światła, ich obserwacje mogą się znacznie różnić.

Specjalna względność wpływa również na wiele innych rzeczy, które fizycy mierzą – na przykład częstotliwość i natężenie światła, a także rozmiar wyglądu obiektu. W ramie spoczynkowej kamery cały wszechświat porusza się z dużym ułamkiem prędkości światła w kierunku przeciwnym do ruchu samej kamery. Dla wyimaginowanej osoby na pokładzie, dzięki różnym czasom kosmicznym doświadczanym przez nią i przez wszystkich na Ziemi, światło gwiazdy lub galaktyki wydawałoby się bardziej niebieskie, jaśniejsze i bardziej zwarte, a separacja kątowa między dwoma obiektami mniejsza.

Nasz pomysł polega na wykorzystaniu tych cech szczególnej względności do obserwacji znanych obiektów w relatywistycznej ramie spoczynkowej kamery. To może zapewnić nowy sposób badania astronomii – coś, co nazywamy „astronomią relatywistyczną”.”

Co mogłaby uchwycić kamera?

Tak więc, relatywistyczna kamera w naturalny sposób służyłaby jako spektrograf, pozwalając badaczom patrzeć na wewnętrznie czerwonawe pasmo światła. Działałaby jak soczewka, powiększając ilość światła, które zbiera. Byłby też aparatem szerokopolowym, pozwalającym astronomom na obserwację większej ilości obiektów w tym samym polu widzenia aparatu.

Oto jeden z przykładów danych, które moglibyśmy zebrać za pomocą kamery relatywistycznej. Ze względu na rozszerzanie się wszechświata, światło z wczesnego wszechświata jest bardziej czerwone, gdy dociera do Ziemi, niż gdy się zaczynało. Fizycy nazywają ten efekt przesunięciem ku czerwieni (ang. redshifting): W miarę jak światło podróżuje, jego długość fali rozciąga się, ponieważ rozszerza się wraz z wszechświatem. Światło czerwone ma dłuższe fale niż światło niebieskie. Wszystko to oznacza, że aby zobaczyć przesunięte ku czerwieni światło z młodego wszechświata, trzeba użyć trudnych do obserwacji długości fal podczerwonych, aby je zebrać.

Wejdź do relatywistycznej kamery. Dla kamery poruszającej się z prędkością bliską prędkości światła, takie przesunięte ku czerwieni światło staje się bardziej niebieskie – to znaczy, jest teraz przesunięte ku błękitowi. Efekt ruchu kamery przeciwdziała efektowi rozszerzania się wszechświata. Teraz astronomowie mogliby uchwycić to światło używając znanej kamery światła widzialnego. Ten sam efekt wzmocnienia Dopplera pozwala również na wzmocnienie słabego światła z wczesnego Wszechświata, co pomaga w jego detekcji. Obserwacja cech spektralnych odległych obiektów może pozwolić nam odkryć historię wczesnego wszechświata, zwłaszcza to, jak wszechświat ewoluował po tym, jak stał się przezroczysty 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Innym ekscytującym aspektem astronomii relatywistycznej jest to, że ludzkość może po raz pierwszy bezpośrednio przetestować zasady szczególnej względności przy użyciu pomiarów makroskopowych. Porównując obserwacje zebrane przez kamerę relatywistyczną i te zebrane z ziemi, astronomowie mogliby precyzyjnie przetestować fundamentalne przewidywania względności Einsteina dotyczące zmiany częstotliwości, strumienia i kierunku podróży światła w różnych układach spoczynkowych.

W porównaniu z ostatecznymi celami projektu Starshot, obserwacja wszechświata za pomocą kamer relatywistycznych powinna być łatwiejsza. Astronomowie nie musieliby się martwić o wycelowanie kamery, ponieważ mogłaby ona uzyskać interesujące wyniki, gdyby została wysłana w dowolnym kierunku. Problem transmisji danych zostałby nieco złagodzony, ponieważ odległości nie byłyby tak duże. Podobnie jest z techniczną trudnością zabezpieczenia kamery.

Proponujemy, aby wypróbowanie relatywistycznych kamer do obserwacji astronomicznych mogło być zapowiedzią pełnego projektu Starshot. Ludzkość będzie miała nowe astronomiczne „obserwatorium” do badania wszechświata w bezprecedensowy sposób. Historia sugeruje, że otwarcie nowego okna, takiego jak to, odsłoni wiele wcześniej niewykrytych skarbów.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany na The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.