Gli astronomi si sforzano di osservare l'universo attraverso tecniche sempre più avanzate. Ogni volta che i ricercatori inventano un nuovo metodo, vengono raccolte informazioni senza precedenti e la comprensione del cosmo da parte delle persone si approfondisce.

Un ambizioso programma per far esplodere le telecamere ben oltre il sistema solare è stato annunciato nell'aprile 2016 dall'investitore di Internet e filantropo scientifico Yuri Milner, il defunto fisico Stephen Hawking e il CEO di Facebook Mark Zuckerberg. Chiamato "Breakthrough Starshot, " l'idea è di inviare un gruppo di minuscole nano-astronave al vicino stellare più vicino al sole, il sistema a tre stelle Alpha Centauri. Viaggiando a circa il 20 percento della velocità della luce - fino a 100 milioni di miglia all'ora - l'astronave e le loro minuscole fotocamere mirerebbero alla stella più piccola ma più vicina del sistema, Prossima Centari, e il suo pianeta Proxima b, 4,26 anni luce dalla Terra.

L'obiettivo del team Breakthrough Starshot si baserà su una serie di tecnologie non ancora provate. Il piano è quello di utilizzare vele leggere per portare questi veicoli spaziali più lontano e più velocemente di qualsiasi altra cosa sia venuta prima:i laser sulla Terra spingeranno le piccole navi attraverso le loro vele super sottili e riflettenti. Ho un'altra idea che potrebbe sfruttare questa tecnologia mentre il progetto si sta preparando:i ricercatori potrebbero ottenere dati preziosi da questi osservatori mobili, anche testare direttamente la teoria della relatività ristretta di Einstein, molto prima che si avvicinino ad Alpha Centauri.

Le sfide tecniche abbondano

Raggiungere l'obiettivo di Breakthrough Starshot non è affatto un compito facile. Il progetto si basa su un continuo sviluppo tecnologico su tre fronti indipendenti.

Primo, i ricercatori dovranno ridurre drasticamente le dimensioni e il peso dei componenti microelettronici per realizzare una fotocamera. Ogni nanocraft dovrebbe essere non più di pochi grammi in totale - e questo dovrà includere non solo la fotocamera, ma anche altri carichi utili tra cui alimentazione e apparecchiature di comunicazione.

Un'altra sfida sarà quella di costruire sottili, materiali ultraleggeri e altamente riflettenti per fungere da "vela" per la fotocamera. Una possibilità è quella di avere una vela di grafene a strato singolo - spessa solo una molecola, solo 0,345 nanometri.

Il team di Breakthrough Starshot trarrà vantaggio dalla crescente potenza e dal calo dei costi dei raggi laser. Sono necessari laser con potenza di 100 Gigawatt per accelerare le telecamere da terra. Proprio come il vento riempie le vele di una barca a vela e la spinge in avanti, i fotoni di un raggio laser ad alta energia possono spingere in avanti una vela riflettente ultraleggera mentre rimbalzano indietro.

Con il tasso di sviluppo tecnologico previsto, probabilmente ci vorranno almeno altri due decenni prima che gli scienziati possano lanciare una macchina fotografica che viaggi con una velocità una frazione significativa della velocità della luce.

Anche se una tale fotocamera potesse essere costruita e accelerata, molte altre sfide devono essere superate per realizzare il sogno di raggiungere il sistema Alpha Centauri. I ricercatori possono puntare correttamente le telecamere in modo che raggiungano il sistema stellare? La fotocamera può anche sopravvivere al viaggio di quasi 20 anni senza subire danni? E se batte le probabilità e il viaggio va bene, sarà possibile trasmettere i dati - diciamo, immagini:tornare sulla Terra da una distanza così grande?

Introduzione all'"astronomia relativistica"

Il mio collaboratore Kunyang Li, uno studente laureato al Georgia Institute of Technology, e vedo il potenziale in tutte queste tecnologie anche prima che siano perfezionate e pronte a partire per Alpha Centauri.

Quando una fotocamera viaggia nello spazio a una velocità prossima a quella della luce – quella che potrebbe essere chiamata “velocità relativistica” – la teoria della relatività speciale di Einstein gioca un ruolo nel modo in cui verranno modificate le immagini riprese dalla fotocamera. La teoria di Einstein afferma che in diversi "frame di riposo" gli osservatori hanno diverse misure delle lunghezze dello spazio e del tempo. Questo è, spazio e tempo sono relativi. Il modo diverso in cui i due osservatori misurano le cose dipende dalla velocità con cui si muovono l'uno rispetto all'altro. Se la velocità relativa è vicina alla velocità della luce, le loro osservazioni possono differire in modo significativo.

La relatività ristretta influisce anche su molte altre cose che i fisici misurano, ad esempio la frequenza e l'intensità della luce e anche la dimensione dell'aspetto di un oggetto. Nella cornice di riposo della fotocamera, l'intero universo si muove a una buona frazione della velocità della luce nella direzione opposta al movimento della telecamera. A una persona immaginaria a bordo, grazie ai diversi spazio-tempo vissuti da lui e da tutti quelli che sono tornati sulla Terra, la luce di una stella o di una galassia sembrerebbe più blu, più luminoso e compatto, e la separazione angolare tra due oggetti sembrerebbe più piccola.

La nostra idea è di sfruttare queste caratteristiche della relatività speciale per osservare oggetti familiari nel diverso frame di riposo spazio-temporale della fotocamera relativistica. Questo può fornire una nuova modalità per studiare l'astronomia, quella che chiamiamo "astronomia relativistica".

Cosa potrebbe catturare la fotocamera?

Così, una macchina fotografica relativistica servirebbe naturalmente da spettrografo, consentendo ai ricercatori di osservare una banda di luce intrinsecamente più rossa. fungerebbe da lente, ingrandendo la quantità di luce che raccoglie. E sarebbe una telecamera a largo campo, permettendo agli astronomi di osservare più oggetti all'interno dello stesso campo visivo della telecamera.

Ecco un esempio del tipo di dati che potremmo raccogliere utilizzando la fotocamera relativistica. A causa dell'espansione dell'universo, la luce dell'universo primordiale è più rossa quando raggiunge la Terra rispetto a quando è iniziata. I fisici chiamano questo effetto redshifting:mentre la luce viaggia, la sua lunghezza d'onda si estende mentre si espande insieme all'universo. La luce rossa ha lunghezze d'onda più lunghe della luce blu. Tutto questo significa che vedere la luce spostata verso il rosso dal giovane universo, bisogna usare le lunghezze d'onda infrarosse difficili da osservare per raccoglierlo.

Entra nella telecamera relativistica. A una telecamera che si muove a una velocità prossima a quella della luce, tale luce spostata verso il rosso diventa più blu - cioè, ora è spostato verso il blu. L'effetto del movimento della telecamera contrasta l'effetto dell'espansione dell'universo. Ora un astronomo potrebbe catturare quella luce usando la familiare telecamera a luce visibile. Lo stesso effetto di potenziamento Doppler consente anche di amplificare la debole luce dell'universo primordiale, aiutando il rilevamento. Osservare le caratteristiche spettrali di oggetti distanti può permetterci di rivelare la storia dell'universo primordiale, soprattutto come si è evoluto l'universo dopo essere diventato trasparente 380, 000 anni dopo il Big Bang.

Un altro aspetto interessante dell'astronomia relativistica è che l'umanità può testare direttamente i principi della relatività ristretta usando per la prima volta misurazioni macroscopiche. Confrontando le osservazioni raccolte sulla telecamera relativistica e quelle raccolte da terra, gli astronomi potrebbero testare con precisione le previsioni fondamentali della relatività di Einstein riguardo al cambiamento di frequenza, flusso e direzione di marcia della luce in diversi frame di riposo.

Rispetto agli obiettivi finali del progetto Starshot, osservare l'universo utilizzando telecamere relativistiche dovrebbe essere più semplice. Gli astronomi non dovrebbero preoccuparsi di puntare la fotocamera, poiché potrebbe ottenere risultati interessanti se inviato in qualsiasi direzione. Il problema della trasmissione dei dati è in qualche modo alleviato poiché le distanze non sarebbero così grandi. Stessa cosa con la difficoltà tecnica di proteggere la fotocamera.

Proponiamo che provare fotocamere relativistiche per osservazioni astronomiche potrebbe essere un precursore del progetto Starshot completo. E l'umanità avrà un nuovo "osservatorio" astronomico per studiare l'universo in un modo senza precedenti. La storia suggerisce che l'apertura di una nuova finestra come questa svelerà molti tesori precedentemente sconosciuti.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.