Astronomie la viteza luminii

Cel care urmează este preluat cu permisiunea The Conversation, o publicație online care acoperă cele mai recente cercetări.

Astronomii se străduiesc să observe universul prin tehnici din ce în ce mai avansate. De fiecare dată când cercetătorii inventează o nouă metodă, se colectează informații fără precedent, iar înțelegerea cosmosului de către oameni se aprofundează.

Un program ambițios de lansare a camerelor de luat vederi mult dincolo de sistemul solar a fost anunțat în aprilie 2016 de către investitorul în internet și filantropul în domeniul științei Yuri Milner, regretatul fizician Stephen Hawking și directorul executiv al Facebook, Mark Zuckerberg. Denumit „Breakthrough Starshot”, ideea este de a trimite o grămadă de mici nano-nave spațiale către cel mai apropiat vecin stelar al Soarelui, sistemul de trei stele Alpha Centauri. Călătorind cu aproximativ 20% din viteza luminii – deci cu o viteză de 160 milioane de kilometri pe oră -, navele și micile lor camere vor viza cea mai mică, dar și cea mai apropiată stea din sistem, Proxima Centari, și planeta sa Proxima b, 4.26 ani-lumină de la Pământ.

Breakthrough Starshot își propune să stabilească dovada conceptului pentru o „nanocavă” acționată de un fascicul de lumină.

Obiectivul echipei Breakthrough Starshot se va baza pe o serie de tehnologii încă nedovedite. Planul este de a folosi pânze luminoase pentru a duce aceste nave spațiale mai departe și mai repede decât tot ce a fost până acum – razele de pe Pământ vor împinge micile nave prin intermediul pânzelor lor super-subțiri și reflectorizante. Am o altă idee care s-ar putea baza pe această tehnologie, în timp ce proiectul se pregătește: Cercetătorii ar putea obține date valoroase de la aceste observatoare mobile, chiar să testeze direct teoria relativității speciale a lui Einstein, cu mult înainte de a se apropia de Alpha Centauri.

Provocările tehnice abundă

Atingerea obiectivului Breakthrough Starshot nu este deloc o sarcină ușoară. Proiectul se bazează pe dezvoltarea tehnologică continuă pe trei fronturi independente.

În primul rând, cercetătorii vor trebui să reducă dramatic dimensiunea și greutatea componentelor microelectronice pentru a realiza o cameră. Fiecare nanocameră este planificată să nu aibă mai mult de câteva grame în total – iar acest lucru va trebui să includă nu doar camera, ci și alte sarcini utile, inclusiv alimentarea cu energie și echipamentele de comunicare.

O altă provocare va fi construirea unor materiale subțiri, ultraușoare și foarte reflectorizante care să servească drept „pânze” pentru cameră. O posibilitate este de a avea o pânză de grafenă cu un singur strat – doar o moleculă de grosime, de numai 0,345 nanometri.

Echipa Breakthrough Starshot va beneficia de creșterea puterii și de scăderea costului razelor laser. Sunt necesare lasere cu o putere de 100 de gigawați pentru a accelera camerele de la sol. La fel cum vântul umple pânzele unei bărci cu pânze și o împinge înainte, fotonii de la un fascicul laser de mare energie pot propulsa o pânză reflectorizantă ultraușoară înainte pe măsură ce ricoșează.

Cu ritmul de dezvoltare tehnologică preconizat, vor mai trece probabil cel puțin două decenii până când oamenii de știință vor putea lansa o cameră care să se deplaseze cu o viteză reprezentând o fracțiune semnificativă din viteza luminii.

Chiar dacă o astfel de cameră ar putea fi construită și accelerată, mai trebuie depășite câteva provocări pentru a îndeplini visul de a ajunge în sistemul Alpha Centauri. Pot cercetătorii să orienteze corect camerele astfel încât să ajungă la sistemul stelar? Poate camera chiar să supraviețuiască călătoriei de aproape 20 de ani fără a fi deteriorată? Și dacă reușește să învingă șansele și călătoria decurge bine, va fi posibil să transmită datele – de exemplu, imaginile – înapoi pe Pământ pe o distanță atât de mare?

Introducerea „astronomiei relativiste”

Colaboratorul meu Kunyang Li, un student absolvent la Georgia Institute of Technology, și cu mine vedem potențial în toate aceste tehnologii chiar înainte ca ele să fie perfecționate și gata să se îndrepte spre Alpha Centauri.

Când o cameră foto călătorește în spațiu cu o viteză apropiată de viteza luminii – ceea ce s-ar putea numi „viteză relativistă” – teoria specială a relativității a lui Einstein joacă un rol în modul în care imaginile luate de cameră vor fi modificate. Teoria lui Einstein afirmă că, în diferite „cadre de repaus”, observatorii au măsuri diferite ale lungimilor spațiului și timpului. Altfel spus, spațiul și timpul sunt relative. Cât de diferit măsoară cei doi observatori lucrurile depinde de viteza cu care se deplasează unul față de celălalt. Dacă viteza relativă este apropiată de viteza luminii, observațiile lor pot diferi semnificativ.

Relativitatea specială afectează, de asemenea, multe alte lucruri pe care fizicienii le măsoară – de exemplu, frecvența și intensitatea luminii și, de asemenea, dimensiunea aspectului unui obiect. În cadrul de repaus al aparatului de fotografiat, întregul univers se mișcă cu o fracțiune bună din viteza luminii în direcția opusă mișcării proprii a aparatului de fotografiat. Pentru o persoană imaginară aflată la bord, datorită spațiotimpurilor diferite experimentate de ea și de toți cei de pe Pământ, lumina unei stele sau a unei galaxii ar părea mai albastră, mai strălucitoare și mai compactă, iar separarea unghiulară dintre două obiecte ar părea mai mică.

Ideea noastră este de a profita de aceste caracteristici ale relativității speciale pentru a observa obiecte familiare în cadrul de repaus spațio-temporal diferit al camerei relativiste. Acest lucru poate oferi un nou mod de a studia astronomia – ceea ce noi numim „astronomie relativistă.”

Ce ar putea capta camera?

Astfel, o cameră relativistă ar servi în mod natural ca spectrograf, permițând cercetătorilor să se uite la o bandă de lumină intrinsec mai roșie. Aceasta ar acționa ca o lentilă, mărind cantitatea de lumină pe care o colectează. Și ar fi o cameră cu câmp larg, permițând astronomilor să observe mai multe obiecte în același câmp vizual al camerei.

Iată un exemplu al tipului de date pe care le-am putea aduna cu ajutorul camerei relativiste. Din cauza expansiunii universului, lumina din universul timpuriu este mai roșie în momentul în care ajunge pe Pământ decât atunci când a început. Fizicienii numesc acest efect deplasare spre roșu: Pe măsură ce lumina călătorește, lungimea sa de undă se întinde pe măsură ce se extinde odată cu universul. Lumina roșie are lungimi de undă mai mari decât lumina albastră. Toate acestea înseamnă că, pentru a vedea lumina cu deplasare spre roșu din universul tânăr, trebuie să se folosească lungimi de undă infraroșii, greu de observat, pentru a o colecta.

Intrați în camera relativistă. Pentru o cameră care se deplasează cu o viteză apropiată de cea a luminii, o astfel de lumină deplasată spre roșu devine mai albastră – adică este acum deplasată spre albastru. Efectul mișcării camerei contracarează efectul expansiunii universului. Acum, un astronom ar putea capta această lumină folosind cunoscuta cameră cu lumină vizibilă. Același efect de amplificare Doppler permite, de asemenea, ca lumina slabă din universul timpuriu să fie amplificată, facilitând detectarea. Observarea caracteristicilor spectrale ale obiectelor îndepărtate ne poate permite să dezvăluim istoria universului timpuriu, în special modul în care universul a evoluat după ce a devenit transparent la 380.000 de ani după Big Bang.

Un alt aspect interesant al astronomiei relativiste este faptul că omenirea poate testa direct principiile relativității speciale folosind pentru prima dată măsurători macroscopice. Comparând observațiile colectate pe camera relativistă și cele colectate de la sol, astronomii ar putea testa cu precizie predicțiile fundamentale ale relativității lui Einstein cu privire la schimbarea frecvenței, a fluxului și a direcției de deplasare a luminii în diferite cadre de repaus.

În comparație cu obiectivele finale ale proiectului Starshot, observarea universului cu ajutorul camerelor relativiste ar trebui să fie mai ușoară. Astronomii nu ar trebui să-și facă griji cu privire la orientarea camerei, deoarece aceasta ar putea obține rezultate interesante atunci când este trimisă în orice direcție. Problema transmiterii datelor este oarecum atenuată, deoarece distanțele nu ar fi atât de mari. La fel și dificultatea tehnică de a proteja camera.

Propunem ca încercarea camerelor relativiste pentru observații astronomice să fie un precursor al proiectului Starshot complet. Iar omenirea va avea un nou „observator” astronomic pentru a studia universul într-un mod fără precedent. Istoria sugerează că deschiderea unei noi ferestre ca aceasta va dezvălui multe comori nedetectate anterior.

Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation. Citiți articolul original.

.