Co by viděla kamera na průlomové kosmické lodi Starshot, kdyby se pohybovala vysokou rychlostí?
V dubnu 2016 ruský miliardář Jurij Milner oznámil vytvoření Průlomový Starshot . Jako součást jeho neziskové vědecké organizace (známé jako Breakthrough Initiatives) bylo účelem Starshot navrhnout nanoplavidlo se světelnou plachtou, které by bylo schopné dosáhnout rychlosti až 20 % rychlosti světla a dosáhnout nejbližší hvězdné soustavy – Alpha. Centaurové (alias Rigel Kentaurus) – během našich životů.
Při této rychlosti – zhruba 60 000 km/s (37 282 mps) – by byla sonda schopna dosáhnout Alpha Centauri za 20 let, kde by pak mohla pořizovat snímky hvězdy a všech planet, které kolem ní obíhají. Ale podle a nedávný článek od profesora Binga Zhanga, astrofyzika z University of Nevada, mohli výzkumníci získat všechny druhy cenných dat ze Starshot a podobných konceptů dlouho předtím, než vůbec dosáhli svého cíle.
Článek se objevil vKonverzacepod názvem ' Pozorování vesmíru pomocí kamery pohybující se blízkou rychlosti světla “. Článek navazoval na studii, kterou provedli prof. Zhang a Kunyang Li – postgraduální studentka Centrum pro relativistickou astrofyziku na Georgia Institute of Technology – který se objevil vThe Astrophysical Journal(s názvem „ Relativistická astronomie ').
Prof. Albert Einstein na 11. přednášce Josiaha Willarda Gibbse na zasedání Americké asociace pro pokrok vědy v roce 1934. Kredit: AP Photo
Abychom to shrnuli, Breakthrough Starshot se snaží využít nejnovější technologický vývoj k uskutečnění mezihvězdné mise, která zasáhne další hvězdu během jediné generace. Kosmická loď by se skládala z ultralehkého nanoplavidla a světelné plachty, z nichž druhá by urychlovala pozemní laserové pole až na rychlost stovek kilometrů za sekundu.
Takový systém by umožnil malé kosmické lodi provést průletovou misi Alpha Centauri přibližně 20 let po jejím vypuštění, která by pak mohla vysílat domácí snímky možných planet a další vědecká data (jako je analýza magnetických polí). Nedávno , Breakthrough Starshot uspořádal „průmyslový den“, kde potenciálním zájemcům předložil žádost o návrhy na stavbu laserové plachty.
Podle Zhanga by nanoplavidlo poháněné světelnou plachtou, které by se pohybovalo částí rychlosti světla, bylo také dobrým způsobem testování. Einsteinova teorie speciální relativity . Jednoduše řečeno, tento zákon říká, že rychlost světla ve vakuu je konstantní, bez ohledu na inerciální vztažnou soustavu nebo pohyb zdroje. Stručně řečeno, taková kosmická loď by byla schopna využít vlastností speciální teorie relativity a poskytnout nový režim pro studium astronomie.
Na základě Einsteinovy teorie by různé objekty v různých „rámcích odpočinku“ měly různé míry délky prostoru a času. V tomto smyslu by objekt pohybující se relativistickou rychlostí viděl vzdálené astronomické objekty odlišně, protože emise světla z těchto objektů by byly zkreslené. Zatímco objekty před kosmickou lodí by měly vlnovou délku svého světla zkrácenou, objekty za ní by je prodloužily.
Tento diagram ukazuje rozdíl mezi cíli s neposunutým, červeným a modrým posunem. Kredit: NASA
Tento jev, známý jako „Dopplerův efekt“, má za následek posunutí světla směrem k modrému konci („modrý posun“) nebo červenému konci („červený posun“) spektra pro přibližování a vzdalování se objektů. V roce 1929 astronom Edwin Hubble použil měření rudého posuvu, aby určil, že vzdálené galaxie se vzdalují od naší, čímž demonstroval, že vesmír je ve stavu rozpínání.
Kvůli tomuto rozšíření (známému jako Hubbleova expanze ), velká část světla ve vesmíru je posunuta do červena a je měřitelná pouze v obtížně pozorovatelných infračervených vlnových délkách. Ale pro kameru pohybující se relativistickou rychlostí by podle Prof. Zhanga toto červeně posunuté světlo zmodralo, protože pohyb kamery by působil proti účinkům expanze vesmíru.
Tento efekt, známý jako „Dopplerovo zesílení“, by způsobil zesílení slabého světla z raného vesmíru a umožnil by podrobnější studium vzdálených objektů. V tomto ohledu by astronomové byli schopni studovat některé z nejstarších objektů ve známém vesmíru, což by nabídlo více vodítek, jak se v průběhu času vyvíjel. Jak vysvětlil Prof. Zhang pro Universe Today prostřednictvím e-mailu, umožnilo by to několik jedinečných příležitostí k testování speciální teorie relativity:
'Ve zbývajícím snímku kamery je emise objektů v hemisféře pohybu kamery modře posunutá.' U jasných objektů s podrobným spektrálním pozorováním ze země je lze pozorovat za letu. Porovnáním jejich modře posunutého toku na specifické modře posunuté frekvenci s tokem odpovídající (de-modré posunuté) frekvence na zemi lze přesně otestovat předpověď Dopplerova zesílení ve speciální relativitě.“
Pozorovaný snímek blízké galaxie M51 (vlevo) a jak by snímek vypadal přes kameru pohybující se poloviční rychlostí světla (vpravo). Poděkování: Zhang & Li, 2018, The Astrophysical Journal, 854, 123, CC BY-ND
Kromě toho by se z pohledu pozorovatele měnila i frekvence a intenzita světla – a také velikost vzdálených objektů. V tomto ohledu by kamera fungovala jako čočka a širokoúhlá kamera, která by zvětšovala množství světla, které shromažďuje, a umožňuje astronomům pozorovat více objektů ve stejném zorném poli. Porovnáním pozorování shromážděných kamerou s pozorováními shromážděnými kamerou ze země mohli astronomové také otestovat Lorentzův faktor sondy.
Tento faktor ukazuje, jak se mění čas, délka a relativistická hmotnost objektu, když se objekt pohybuje, což je další předpověď speciální teorie relativity. V neposlední řadě profesor Zhang uvádí, že sondy pohybující se relativistickou rychlostí by nemusely být posílány do žádné konkrétní destinace, aby mohly tyto testy provést. Jak vysvětlil:
„Koncept „relativistické astronomie“ spočívá v tom, že člověk ve skutečnosti nepotřebuje posílat kamery do konkrétních hvězdných systémů. Není třeba mířit (např. na systém Alpha Centauri), není třeba zpomalovat. Dokud lze signál přenést zpět na zem, lze se naučit spoustu věcí. Mezi zajímavé cíle patří galaxie s vysokým rudým posuvem, aktivní galaktická jádra, gama záblesky a dokonce i elektromagnetické protějšky gravitačních vln.“
Tento návrh má však některé nevýhody. Pro začátek, technologie za Starshot je o splnění snu bezpočtu generací – tedy dosažení dalšího hvězdného systému (v tomto případě Alpha Centauri) – během jediné generace.
A jak řekl profesor Abraham Loeb – profesor vědy na Harvardské univerzitě Frank B. Baird Jr. a předseda výboru a Výboru Breakthrough Starshot – Universe Today prostřednictvím e-mailu, to, co profesor Zhang navrhuje, lze dosáhnout jinými prostředky:
>„Skutečně existují výhody, když se kamera pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla směrem ke slabým zdrojům, jako jsou nejvzdálenější trpasličí galaxie v raném vesmíru. Ale náklady na spuštění kamery na požadovanou rychlost by byly mnohem vyšší než na stavbu další generace velkých dalekohledů, které nám poskytnou podobnou citlivost. Podobně lze cíle testování speciální teorie relativity dosáhnout s mnohem nižšími náklady.“
Samozřejmě bude trvat mnoho let, než bude možné namontovat projekt jako Starshot, a mezitím je třeba vyřešit mnoho výzev. Je však vzrušující vědět, že mezitím lze pro takovou misi nalézt vědecké aplikace, které přesahují rámec průzkumu. Za několik desítek let, až se mise vydá na cestu do Alfa Centauri, možná bude také schopna provádět testy speciální teorie relativity a dalších fyzikálních zákonů, zatímco bude přecházet.
Další čtení: Konverzace , The Astrophysical Journal