Astronomer strävar efter att observera universum via allt mer avancerade tekniker. När forskare uppfinner en ny metod, oöverträffad information samlas in och människors förståelse för kosmos fördjupas.

Ett ambitiöst program för att spränga kameror långt bortom solsystemet tillkännagavs i april 2016 av internetinvesteraren och vetenskapsfilantropen Yuri Milner, framlidne fysikern Stephen Hawking och Facebooks vd Mark Zuckerberg. Kallas "Beakthrough Starshot, "Idén är att skicka ett gäng små nano-rymdfarkoster till solens närmaste stjärngranne, det trestjärniga Alpha Centauri-systemet. När man färdades med cirka 20 procent av ljusets hastighet – så snabbt som 100 miljoner miles per timme – skulle farkosten och deras små kameror sikta på den minsta men närmaste stjärnan i systemet, Proxima Centari, och dess planet Proxima b, 4,26 ljusår från jorden.

Breakthrough Starshot-teamets mål kommer att förlita sig på ett antal ännu inte beprövade tekniker. Planen är att använda lätta segel för att få dessa rymdfarkoster längre och snabbare än något som har kommit tidigare – lasrar på jorden kommer att trycka på de små skeppen via deras supertunna och reflekterande segel. Jag har en annan idé som skulle kunna piggyback på den här tekniken när projektet växlar upp:Forskare kan få värdefull data från dessa mobila observatorier, testa till och med direkt Einsteins speciella relativitetsteori, långt innan de kommer någonstans nära Alpha Centauri.

Tekniska utmaningar finns i överflöd

Att uppnå genombrott Starshots mål är inte på något sätt en lätt uppgift. Projektet bygger på fortsatt teknisk utveckling på tre oberoende fronter.

Först, forskare kommer att behöva dramatiskt minska storleken och vikten av mikroelektroniska komponenter för att göra en kamera. Varje nanocraft är planerat att inte väga mer än några gram totalt – och det måste inte bara inkludera kameran, men även andra nyttolaster inklusive strömförsörjning och kommunikationsutrustning.

En annan utmaning blir att bygga tunt, ultralätta och mycket reflekterande material för att fungera som "segel" för kameran. En möjlighet är att ha ett enlagers grafensegel – bara en molekyl tjock, endast 0,345 nanometer.

Breakthrough Starshot-teamet kommer att dra nytta av den stigande kraften och sjunkande kostnaden för laserstrålar. Lasrar med 100-Gigawatt effekt behövs för att accelerera kamerorna från marken. Precis som vinden fyller en segelbåts segel och driver den framåt, fotonerna från en laser med hög energi kan driva ett ultralätt reflekterande segel framåt när de studsar tillbaka.

Med den beräknade teknikutvecklingstakten, det kommer sannolikt att dröja minst två decennier till innan forskare kan lansera 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, flera fler utmaningar måste övervinnas för att uppfylla drömmen om att nå Alpha Centauri-systemet. Kan forskare rikta kamerorna rätt så att de når stjärnsystemet? Kan kameran ens överleva den nästan 20 år långa resan utan att skadas? Och om det slår oddsen och resan går bra, kommer det att vara möjligt att överföra data – säg, bilder – tillbaka till jorden över ett så stort avstånd?

Vi introducerar "relativistisk astronomi"

Min samarbetspartner Kunyang Li, en doktorand vid Georgia Institute of Technology, och jag ser potential i alla dessa teknologier redan innan de är fulländade och redo att ge sig ut för Alpha Centauri.

När en kamera färdas i rymden med nära ljusets hastighet – vad som skulle kunna kallas "relativistisk hastighet" – spelar Einsteins speciella relativitetsteori en roll för hur bilderna som tas av kameran kommer att modifieras. Einsteins teori säger att i olika "vila ramar" har observatörer olika mått på längden av rum och tid. Det är, rum och tid är relativa. Hur olika de två observatörerna mäter saker beror på hur snabbt de rör sig i förhållande till varandra. Om den relativa hastigheten är nära ljusets hastighet, deras observationer kan skilja sig betydligt.

Special relativitetsteori påverkar också många andra saker fysiker mäter – t.ex. ljusets frekvens och intensitet och även storleken på ett föremåls utseende. I resten av kameran, hela universum rör sig med en bra bråkdel av ljusets hastighet i motsatt riktning av kamerans egen rörelse. Till en imaginär person ombord, tack vare de olika rymdtider som upplevts av honom och alla på jorden, ljuset från en stjärna eller galax skulle se blåare ut, ljusare och mer kompakt, och vinkelavståndet mellan två objekt skulle se mindre ut.

Vår idé är att dra nytta av dessa egenskaper hos speciell relativitet för att observera bekanta objekt i den relativistiska kamerans olika rumstidsvila. Detta kan ge ett nytt sätt att studera astronomi – vad vi kallar "relativistisk astronomi."

Vad kunde kameran fånga?

Så, en relativistisk kamera skulle naturligtvis fungera som en spektrograf, gör det möjligt för forskare att titta på ett i sig rödare band av ljus. Det skulle fungera som en lins, förstorar mängden ljus som den samlar in. Och det skulle vara en bredfältskamera, låter astronomer observera fler objekt inom samma synfält av kameran.

Här är ett exempel på den typ av data vi kan samla in med hjälp av den relativistiska kameran. På grund av universums expansion, ljuset från det tidiga universum är rödare när det når jorden än när det började. Fysiker kallar denna effekt rödförskjutning:När ljuset färdas, dess våglängd sträcker sig när den expanderar tillsammans med universum. Rött ljus har längre våglängder än blått ljus. Allt detta betyder att för att se rött skiftat ljus från det unga universum, man måste använda de svåra att observera infraröda våglängderna för att samla in det.

Gå in i den relativistiska kameran. Till en kamera som rör sig nära ljusets hastighet, sådant rödskiftat ljus blir blåare – dvs. det är nu blåskiftat. Effekten av kamerans rörelse motverkar effekten av universums expansion. Nu kunde en astronom fånga det ljuset med den välbekanta kameran för synligt ljus. Samma Doppler-förstärkande effekt gör att det svaga ljuset från det tidiga universum kan förstärkas, hjälper till att upptäcka. Att observera de spektrala egenskaperna hos avlägsna objekt kan tillåta oss att avslöja historien om det tidiga universum, speciellt hur universum utvecklades efter att det blev transparent 380, 000 år efter Big Bang.

En annan spännande aspekt av relativistisk astronomi är att mänskligheten direkt kan testa principerna för speciell relativitet med hjälp av makroskopiska mätningar för första gången. Genom att jämföra observationerna som samlats in på den relativistiska kameran och de som samlats in från marken, astronomer kunde exakt testa de grundläggande förutsägelserna för Einsteins relativitet när det gäller förändring av frekvens, flöde och ljus färdriktning i olika rastramar.

Jämfört med de slutliga målen för Starshot-projektet, Det borde vara lättare att observera universum med hjälp av relativistiska kameror. Astronomer behöver inte oroa sig för att rikta kameran, eftersom det kan få intressanta resultat när det skickas åt vilket håll som helst. Dataöverföringsproblemet är något lindrat eftersom avstånden inte skulle vara lika stora. Samma sak med den tekniska svårigheten att skydda kameran.

Vi föreslår att att prova relativistiska kameror för astronomiska observationer kan vara en föregångare till hela Starshot-projektet. Och mänskligheten kommer att ha ett nytt astronomiskt "observatorium" för att studera universum på ett aldrig tidigare skådat sätt. Historien tyder på att öppnandet av ett nytt fönster som detta kommer att avslöja många tidigare oupptäckta skatter.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.