Astronomi i ljusets hastighet

Följande essä återges med tillstånd från The Conversation, en online-publikation om den senaste forskningen.

Astronomer strävar efter att observera universum med hjälp av allt mer avancerade tekniker. Varje gång forskarna uppfinner en ny metod samlas oöverträffad information in och människors förståelse av kosmos fördjupas.

Ett ambitiöst program för att spränga kameror långt bortom solsystemet tillkännagavs i april 2016 av internetinvesteraren och vetenskapsfilantropen Yuri Milner, den avlidne fysikern Stephen Hawking och Facebooks vd Mark Zuckerberg. Det kallas ”Breakthrough Starshot” och tanken är att skicka ett gäng små nanorymdskepp till solens närmaste stjärngranne, det trestjärniga Alpha Centauri-systemet. De skulle färdas med cirka 20 procent av ljusets hastighet – alltså så snabbt som 160 miljoner kilometer i timmen – och deras små kameror skulle sikta in sig på den minsta men närmaste stjärnan i systemet, Proxima Centari, och dess planet Proxima b, 4.26 ljusår från jorden.

Breakthrough Starshot syftar till att bevisa konceptet för en ”nanofarkost” som drivs av en ljusstråle.

Breakthrough Starshot-teamets mål kommer att bygga på ett antal ännu obeprövade tekniker. Planen är att använda ljussegel för att få dessa rymdfarkoster längre och snabbare än allt annat som har funnits tidigare – laserstrålar på jorden kommer att driva de små fartygen via deras supertunna och reflekterande segel. Jag har en annan idé som skulle kunna dra nytta av den här tekniken i samband med att projektet börjar komma igång: Forskare skulle kunna få värdefulla data från dessa mobila observatorier, och till och med direkt testa Einsteins speciella relativitetsteori, långt innan de kommer i närheten av Alpha Centauri.

Tekniska utmaningar finns i överflöd

Att uppnå genombrottet Starshots mål är på intet sätt en lätt uppgift. Projektet är beroende av fortsatt teknisk utveckling på tre oberoende fronter.

För det första måste forskarna dramatiskt minska storleken och vikten på de mikroelektroniska komponenterna för att göra en kamera. Varje nanokonstruktion ska enligt planerna inte väga mer än några få gram totalt – och det måste inkludera inte bara kameran utan även andra nyttolaster, inklusive strömförsörjning och kommunikationsutrustning.

En annan utmaning blir att bygga tunna, ultralätta och starkt reflekterande material som ska fungera som ”segel” för kameran. En möjlighet är att ha ett grafen-segel i ett enda lager – bara en molekyltjocklek, endast 0,345 nanometer.

Det kommer att gynnas av den ökande kraften och den sjunkande kostnaden för laserstrålar. Lasrar med en effekt på 100 gigawatt behövs för att accelerera kamerorna från marken. Precis som vinden fyller en segelbåts segel och driver den framåt, kan fotonerna från en högenergilaserstråle driva ett ultralätt reflekterande segel framåt när de studsar tillbaka.

Med den beräknade tekniska utvecklingstakten kommer det troligen att dröja ytterligare minst två decennier innan forskarna kan skicka upp en kamera som färdas med en hastighet som är en betydande bråkdel av ljusets hastighet.

Även om en sådan kamera skulle kunna byggas och accelereras måste ytterligare flera utmaningar övervinnas för att uppfylla drömmen om att nå Alpha Centauri-systemet. Kan forskarna rikta kamerorna rätt så att de når stjärnsystemet? Kan kameran ens överleva den nästan 20-åriga resan utan att skadas? Och om den klarar oddsen och resan går bra, kommer det då att vara möjligt att överföra data – till exempel bilder – tillbaka till jorden över ett så stort avstånd?

Introduktion av ”relativistisk astronomi”

Min samarbetspartner Kunyang Li, doktorand vid Georgia Institute of Technology, och jag ser en potential i alla dessa tekniker, till och med innan de har fulländats och är redo att åka till Alpha Centauri.

När en kamera färdas i rymden med nära ljusets hastighet – det som skulle kunna kallas ”relativistisk hastighet” – spelarEinsteins speciella relativitetsteori en roll för hur de bilder som tas av kameran kommer att modifieras. Enligt Einsteins teori har observatörer i olika ”vilorum” olika mått på längden av rum och tid. Det vill säga att rum och tid är relativa. Hur olika de två observatörerna mäter saker och ting beror på hur snabbt de rör sig i förhållande till varandra. Om den relativa hastigheten ligger nära ljusets hastighet kan deras observationer skilja sig avsevärt.

Den speciella relativitetsteorin påverkar också många andra saker som fysiker mäter – till exempel ljusets frekvens och intensitet och även storleken på ett föremåls utseende. I kamerans viljeläge rör sig hela universum med en god bråkdel av ljusets hastighet i motsatt riktning mot kamerans egen rörelse. För en tänkt person ombord skulle ljuset från en stjärna eller galax, tack vare de olika rumtider som han och alla på jorden upplever, framstå som blåare, ljusare och kompaktare, och vinkelavståndet mellan två objekt skulle se mindre ut.

Vår idé är att utnyttja dessa egenskaper hos den speciella relativitetsteorin för att observera välkända objekt i den relativistiska kamerans annorlunda rymdtidsviljeram. Detta kan ge ett nytt sätt att studera astronomi – det vi kallar ”relativistisk astronomi”.

Vad skulle kameran kunna fånga?

En relativistisk kamera skulle alltså naturligtvis fungera som en spektrograf, vilket gör det möjligt för forskarna att titta på ett i sig rödare ljusband. Den skulle fungera som en lins och förstora den mängd ljus som den samlar in. Och den skulle vara en bredfältskamera som låter astronomer observera fler objekt inom samma synfält som kameran.

Här är ett exempel på den typ av data som vi skulle kunna samla in med hjälp av den relativistiska kameran. På grund av universums expansion är ljuset från det tidiga universum rödare när det når jorden än när det började. Fysikerna kallar denna effekt för rödförskjutning: När ljuset färdas sträcker sig dess våglängd i takt med att det expanderar tillsammans med universum. Rött ljus har längre våglängd än blått ljus. Allt detta innebär att om man vill se rödförskjutet ljus från det unga universum måste man använda de svårobserverade infraröda våglängderna för att samla in det.

Enter den relativistiska kameran. För en kamera som rör sig nära ljusets hastighet blir sådant rödförskjutet ljus blåare – det vill säga, det är nu blåförskjutet. Effekten av kamerans rörelse motverkar effekten av universums expansion. Nu skulle en astronom kunna fånga detta ljus med hjälp av den välkända kameran för synligt ljus. Samma dopplerförstärkande effekt gör också att det svaga ljuset från det tidiga universum förstärks, vilket underlättar upptäckten. Genom att observera de spektrala egenskaperna hos avlägsna objekt kan vi avslöja det tidiga universums historia, särskilt hur universum utvecklades efter att det blev genomskinligt 380 000 år efter Big Bang.

En annan spännande aspekt av relativistisk astronomi är att mänskligheten för första gången direkt kan testa den speciella relativitetsprincipens principer med hjälp av makroskopiska mätningar. Genom att jämföra de observationer som samlas in på den relativistiska kameran och de som samlas in från marken kan astronomer exakt testa de grundläggande förutsägelserna i Einsteins relativitetsteori när det gäller förändring av frekvens, flöde och ljusets färdriktning i olika viljemässiga ramar.

Jämfört med de slutgiltiga målen för Starshot-projektet borde det vara lättare att observera universum med hjälp av relativistiska kameror. Astronomer skulle inte behöva oroa sig för att rikta kameran, eftersom den skulle kunna få intressanta resultat när den skickas i vilken riktning som helst. Problemet med dataöverföring lindras något eftersom avstånden inte skulle vara lika stora. Samma sak med den tekniska svårigheten att skydda kameran.

Vi föreslår att ett försök med relativistiska kameror för astronomiska observationer skulle kunna vara en föregångare till det fullständiga Starshot-projektet. Och mänskligheten kommer att få ett nytt astronomiskt ”observatorium” för att studera universum på ett aldrig tidigare skådat sätt. Historien tyder på att om man öppnar ett nytt fönster som detta kommer många tidigare oupptäckta skatter att avslöjas.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs den ursprungliga artikeln.