Los astrónomos se esfuerzan por observar el universo mediante técnicas cada vez más avanzadas. Siempre que los investigadores inventan un nuevo método, Se recopila información sin precedentes y se profundiza la comprensión de las personas sobre el cosmos.

Un ambicioso programa para disparar cámaras más allá del sistema solar fue anunciado en abril de 2016 por el inversor de Internet y filántropo científico Yuri Milner. el fallecido físico Stephen Hawking y el director ejecutivo de Facebook, Mark Zuckerberg. Llamado "Breakthrough Starshot, "la idea es enviar un montón de diminutas naves nanoespaciales al vecino estelar más cercano al sol, el sistema Alpha Centauri de tres estrellas. Viajando a alrededor del 20 por ciento de la velocidad de la luz, tan rápido como a 100 millones de millas por hora, la nave y sus diminutas cámaras apuntarían a la estrella más pequeña pero más cercana del sistema. Proxima Centari, y su planeta Proxima b, 4.26 años luz de la Tierra.

El objetivo del equipo Breakthrough Starshot se basará en una serie de tecnologías aún no probadas. El plan es usar velas ligeras para llevar estas naves más lejos y más rápido que cualquier otra cosa que haya existido antes:los láseres en la Tierra empujarán a las pequeñas naves a través de sus velas superdelgadas y reflectantes. Tengo otra idea que podría aprovechar esta tecnología a medida que el proyecto se está preparando:los investigadores podrían obtener datos valiosos de estos observatorios móviles, incluso probar directamente la teoría de la relatividad especial de Einstein, mucho antes de que se acerquen a Alpha Centauri.

Abundan los desafíos técnicos

Lograr el objetivo de Breakthrough Starshot no es una tarea fácil. El proyecto se basa en un desarrollo tecnológico continuo en tres frentes independientes.

Primero, los investigadores deberán reducir drásticamente el tamaño y el peso de los componentes microelectrónicos para hacer una cámara. Se planea que cada nanocraft no tenga más de unos pocos gramos en total, y eso tendrá que incluir no solo la cámara, pero también otras cargas útiles que incluyen suministro de energía y equipos de comunicación.

Otro desafío será construir delgado, Materiales ultraligeros y altamente reflectantes que sirven como "vela" para la cámara. Una posibilidad es tener una vela de grafeno de una sola capa:solo una molécula de espesor, sólo 0,345 nanómetros.

El equipo de Breakthrough Starshot se beneficiará del aumento de potencia y la caída del costo de los rayos láser. Se necesitan láseres con una potencia de 100 gigavatios para acelerar las cámaras desde el suelo. Así como el viento llena las velas de un velero y lo empuja hacia adelante, los fotones de un rayo láser de alta energía pueden impulsar una vela reflectante ultraligera hacia adelante mientras rebota.

Con la tasa de desarrollo de tecnología proyectada, Es probable que pasen al menos dos décadas más antes de que los científicos puedan lanzar una cámara que viaje con una velocidad de una fracción significativa de la velocidad de la luz.

Incluso si una cámara de este tipo pudiera construirse y acelerarse, se deben superar varios desafíos más para cumplir el sueño de alcanzar el sistema Alpha Centauri. ¿Pueden los investigadores apuntar correctamente las cámaras para que alcancen el sistema estelar? ¿Puede la cámara sobrevivir al viaje de casi 20 años sin sufrir daños? Y si supera las probabilidades y el viaje sale bien, ¿Será posible transmitir los datos? digamos, imágenes - ¿de regreso a la Tierra a una distancia tan grande?

Presentamos la 'astronomía relativista'

Mi colaborador Kunyang Li, estudiante de posgrado en el Instituto de Tecnología de Georgia, y veo potencial en todas estas tecnologías incluso antes de que se perfeccionen y estén listas para dirigirse a Alpha Centauri.

Cuando una cámara viaja en el espacio a una velocidad cercana a la de la luz, lo que podría llamarse "velocidad relativista", la teoría especial de la relatividad de Einstein influye en cómo se modificarán las imágenes tomadas por la cámara. La teoría de Einstein establece que en diferentes "marcos de reposo" los observadores tienen diferentes medidas de la longitud del espacio y el tiempo. Es decir, el espacio y el tiempo son relativos. La forma en que los dos observadores miden las cosas depende de qué tan rápido se muevan entre sí. Si la velocidad relativa se acerca a la velocidad de la luz, sus observaciones pueden diferir significativamente.

La relatividad especial también afecta a muchas otras cosas que miden los físicos, por ejemplo, la frecuencia e intensidad de la luz y también el tamaño de la apariencia de un objeto. En el resto del cuadro de la cámara, todo el universo se mueve a una buena fracción de la velocidad de la luz en la dirección opuesta al movimiento de la propia cámara. A una persona imaginaria a bordo, gracias a los diferentes espaciotiempos experimentados por él y todos en la Tierra, la luz de una estrella o galaxia parecería más azul, más brillante y más compacto, y la separación angular entre dos objetos parecería más pequeña.

Nuestra idea es aprovechar estas características de la relatividad especial para observar objetos familiares en el marco de descanso espaciotemporal diferente de la cámara relativista. Esto puede proporcionar un nuevo modo de estudiar astronomía, lo que llamamos "astronomía relativista".

¿Qué podría capturar la cámara?

Entonces, una cámara relativista naturalmente serviría como espectrógrafo, permitiendo a los investigadores observar una banda de luz intrínsecamente más roja. Actuaría como una lente, magnificando la cantidad de luz que recoge. Y sería una cámara de campo amplio, permitiendo a los astrónomos observar más objetos dentro del mismo campo de visión de la cámara.

Aquí hay un ejemplo del tipo de datos que podríamos recopilar usando la cámara relativista. Debido a la expansión del universo, la luz del universo primitivo es más roja cuando llega a la Tierra que cuando comenzó. Los físicos llaman a este efecto desplazamiento al rojo:a medida que la luz viaja, su longitud de onda se extiende a medida que se expande junto con el universo. La luz roja tiene longitudes de onda más largas que la luz azul. Todo esto significa que para ver la luz desplazada al rojo del joven universo, uno debe usar las longitudes de onda infrarrojas difíciles de observar para recolectarlo.

Entra en la cámara relativista. A una cámara que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz, esa luz corrida al rojo se vuelve más azul, es decir, ahora está cambiado al azul. El efecto del movimiento de la cámara contrarresta el efecto de la expansión del universo. Ahora, un astrónomo podría captar esa luz usando la conocida cámara de luz visible. El mismo efecto de refuerzo de Doppler también permite amplificar la tenue luz del universo temprano, ayudando a la detección. Observar las características espectrales de objetos distantes puede permitirnos revelar la historia del universo temprano, especialmente cómo evolucionó el universo después de volverse transparente 380, 000 años después del Big Bang.

Otro aspecto interesante de la astronomía relativista es que la humanidad puede probar directamente los principios de la relatividad especial utilizando medidas macroscópicas por primera vez. Comparando las observaciones recolectadas con la cámara relativista y las recolectadas desde el suelo, Los astrónomos podrían probar con precisión las predicciones fundamentales de la relatividad de Einstein con respecto al cambio de frecuencia, el flujo y la dirección de desplazamiento de la luz en diferentes marcos de descanso.

En comparación con los objetivos finales del proyecto Starshot, observar el universo utilizando cámaras relativistas debería ser más fácil. Los astrónomos no tendrían que preocuparse por apuntar la cámara, ya que podría obtener resultados interesantes cuando se envía en cualquier dirección. El problema de la transmisión de datos se alivia un poco, ya que las distancias no serían tan grandes. Lo mismo ocurre con la dificultad técnica de proteger la cámara.

Proponemos que probar cámaras relativistas para observaciones astronómicas podría ser un precursor del proyecto Starshot completo. Y la humanidad tendrá un nuevo "observatorio" astronómico para estudiar el universo de una manera sin precedentes. La historia sugiere que abrir una nueva ventana como esta revelará muchos tesoros no detectados previamente.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.