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

Een ambitieus programma om camera's tot ver buiten het zonnestelsel op te blazen, werd in april 2016 aangekondigd door internetinvesteerder en wetenschapsfilantroop Yuri Milner, wijlen natuurkundige Stephen Hawking en Facebook-CEO Mark Zuckerberg. genaamd "Doorbraak Starshot, " het idee is om een ​​stel kleine nano-ruimtevaartuigen naar de naaste stellaire buur van de zon te sturen, het driesterren Alpha Centauri-systeem. Met een snelheid van ongeveer 20 procent van de lichtsnelheid - dus zo snel als 100 miljoen mijl per uur - zouden het vaartuig en hun kleine camera's streven naar de kleinste maar dichtstbijzijnde ster in het systeem, Proxima Centari, en zijn planeet Proxima b, 4,26 lichtjaar van de aarde.

Het doel van het Breakthrough Starshot-team is gebaseerd op een aantal tot nu toe onbewezen technologieën. Het plan is om lichte zeilen te gebruiken om deze ruimtevaartuigen verder en sneller te krijgen dan alles wat eerder is geweest - lasers op aarde zullen de kleine schepen duwen via hun superdunne en reflecterende zeilen. Ik heb nog een ander idee dat op deze technologie kan meeliften terwijl het project zich ontwikkelt:onderzoekers kunnen waardevolle gegevens krijgen van deze mobiele observatoria, zelfs de speciale relativiteitstheorie van Einstein rechtstreeks testen, lang voordat ze in de buurt van Alpha Centauri komen.

Technische uitdagingen in overvloed

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

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

Een andere uitdaging zal zijn om dun te bouwen, ultralichte en sterk reflecterende materialen om als "zeil" voor de camera te dienen. Een mogelijkheid is om een ​​enkellaags grafeenzeil te hebben - slechts een molecuul dik, slechts 0,345 nanometer.

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

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

Zelfs als zo'n camera zou kunnen worden gebouwd en versneld, er moeten nog een aantal uitdagingen worden overwonnen om de droom te vervullen om het Alpha Centauri-systeem te bereiken. Kunnen onderzoekers de camera's correct richten zodat ze het sterrenstelsel bereiken? Kan de camera de bijna 20-jarige reis zelfs overleven zonder beschadigd te raken? En als het de kansen overtreft en de reis goed gaat, zal het mogelijk zijn om de gegevens te verzenden - laten we zeggen, beelden – over zo’n grote afstand terug naar de aarde?

Introductie van 'relativistische astronomie'

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

Wanneer een camera in de ruimte reist met bijna de snelheid van het licht - wat 'relativistische snelheid' zou kunnen worden genoemd - speelt de speciale relativiteitstheorie van Einstein een rol in de manier waarop de beelden die door de camera worden gemaakt, worden gewijzigd. De theorie van Einstein stelt dat waarnemers in verschillende "rustframes" verschillende maten hebben voor de lengtes van ruimte en tijd. Dat is, ruimte en tijd zijn relatief. Hoe verschillend de twee waarnemers dingen meten, hangt af van hoe snel ze ten opzichte van elkaar bewegen. Als de relatieve snelheid dicht bij de lichtsnelheid ligt, hun waarnemingen kunnen aanzienlijk verschillen.

De speciale relativiteitstheorie heeft ook invloed op veel andere dingen die natuurkundigen meten, bijvoorbeeld de frequentie en intensiteit van het licht en ook de grootte van het uiterlijk van een object. In het rustframe van de camera, het hele universum beweegt met een goede fractie van de lichtsnelheid in de tegenovergestelde richting van de eigen beweging van de camera. Aan een denkbeeldige persoon aan boord, dankzij de verschillende ruimtetijden die hij en iedereen op aarde hebben ervaren, het licht van een ster of melkwegstelsel zou blauwer lijken, helderder en compacter, en de hoekscheiding tussen twee objecten zou er kleiner uitzien.

Ons idee is om te profiteren van deze kenmerken van de speciale relativiteitstheorie om bekende objecten in het verschillende ruimtetijdrustframe van de relativistische camera te observeren. Dit kan een nieuwe manier zijn om astronomie te bestuderen - wat we 'relativistische astronomie' noemen.

Wat kon de camera vastleggen?

Dus, een relativistische camera zou natuurlijk als spectrograaf dienen, waardoor onderzoekers naar een intrinsiek rodere lichtband kunnen kijken. Het zou fungeren als een lens, vergroot de hoeveelheid licht die het verzamelt. En het zou een groothoekcamera zijn, zodat astronomen meer objecten kunnen observeren binnen hetzelfde gezichtsveld van de camera.

Hier is een voorbeeld van het soort gegevens dat we kunnen verzamelen met de relativistische camera. Door de uitdijing van het heelal, het licht van het vroege heelal is roder tegen de tijd dat het de aarde bereikt dan toen het begon. Natuurkundigen noemen dit effect roodverschuiving:als het licht reist, zijn golflengte strekt zich uit als het samen met het universum uitzet. Rood licht heeft een langere golflengte dan blauw licht. Dit alles betekent dat om het roodverschoven licht van het jonge universum te zien, men moet de moeilijk waarneembare infraroodgolflengten gebruiken om het te verzamelen.

Betreed de relativistische camera. Naar een camera die beweegt met bijna de snelheid van het licht, zo'n roodverschoven licht wordt blauwer - dat wil zeggen, het is nu blauw verschoven. Het effect van de beweging van de camera gaat het effect van de uitdijing van het heelal tegen. Nu kon een astronoom dat licht opvangen met de bekende camera voor zichtbaar licht. Met hetzelfde Doppler-versterkende effect kan ook het zwakke licht van het vroege heelal worden versterkt, opsporing helpen. Door de spectrale kenmerken van verre objecten te observeren, kunnen we de geschiedenis van het vroege heelal onthullen, vooral hoe het universum evolueerde nadat het transparant werd 380, 000 jaar na de oerknal.

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

Vergeleken met de uiteindelijke doelen van het Starshot-project, het observeren van het universum met behulp van relativistische camera's zou eenvoudiger moeten zijn. Astronomen hoeven zich geen zorgen te maken over het richten van de camera, omdat het interessante resultaten kan opleveren wanneer het in een willekeurige richting wordt verzonden. Het probleem met de gegevensoverdracht is enigszins verlicht omdat de afstanden niet zo groot zouden zijn. Hetzelfde geldt voor de technische moeilijkheid om de camera te beschermen.

We 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 universum op een ongekende manier te bestuderen. De geschiedenis suggereert dat het openen van een nieuw venster als dit veel voorheen onopgemerkte schatten zal onthullen.

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