Was würde eine Kamera auf einem bahnbrechenden Starshot-Raumschiff sehen, wenn es mit hoher Geschwindigkeit läuft?

Im April 2016 kündigte der russische Milliardär Yuri Milner die Schaffung von Breakthrough Starshot an. Als Teil seiner gemeinnützigen wissenschaftlichen Organisation (bekannt als Breakthrough Initiatives) bestand der Zweck von Starshot darin, ein Lichtsegel-Nanotransplantat zu entwickeln, mit dem Geschwindigkeiten von bis zu 20% der Lichtgeschwindigkeit erreicht und das nächste Sternensystem – Alpha – erreicht werden können Centauri (alias Rigel Kentaurus) – zu unseren Lebzeiten.

Bei dieser Geschwindigkeit – ungefähr 60.000 km / s (37.282 mps) – könnte die Sonde in 20 Jahren Alpha Centauri erreichen und dort Bilder des Sterns und aller Planeten, die ihn umkreisen, aufnehmen. Laut einem kürzlich erschienenen Artikel von Professor Bing Zhang, einem Astrophysiker der Universität von Nevada, konnten Forscher jedoch alle möglichen wertvollen Daten von Starshot und ähnlichen Konzepten erhalten, lange bevor sie jemals ihr Ziel erreichten.

Der Artikel erschien in Die Unterhaltung unter dem Titel „Das Universum mit einer Kamera beobachten, die sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt“. Der Artikel war eine Fortsetzung einer Studie von Prof. Zhang und Kunyang Li – einem Doktoranden des Zentrums für Relativistische Astrophysik am Georgia Institute of Technology -, die in erschien Das astrophysikalische Journal (mit dem Titel „Relativistische Astronomie“).

Zusammenfassend versucht Breakthrough Starshot, die jüngsten technologischen Entwicklungen zu nutzen, um eine interstellare Mission zu starten, die innerhalb einer einzigen Generation einen anderen Stern erreichen wird. Das Raumschiff würde aus einem ultraleichten Nanotransplantat und einem Lichtsegel bestehen, wobei letzteres durch ein bodengestütztes Laserarray auf Geschwindigkeiten von Hunderten von Kilometern pro Sekunde beschleunigt würde.

Ein solches System würde es dem winzigen Raumschiff ermöglichen, in etwa 20 Jahren nach seinem Start eine Vorbeiflugmission von Alpha Centauri durchzuführen, die dann Bilder möglicher Planeten und anderer wissenschaftlicher Daten (wie die Analyse von Magnetfeldern) nach Hause strahlen könnte. Vor kurzem veranstaltete Breakthrough Starshot einen „Branchentag“, an dem potenzielle Bieter eine Angebotsanfrage (Request For Proposals, RFP) zum Bau des Lasersegels erhielten.

Laut Zhang wäre ein mit einem Lichtsegel angetriebenes Nanotransplantat, das sich mit einem Teil der Lichtgeschwindigkeit bewegt, auch ein guter Weg, um Einsteins Theorie der Speziellen Relativitätstheorie zu testen. Einfach ausgedrückt besagt dieses Gesetz, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum unabhängig vom Trägheitsreferenzrahmen oder der Bewegung der Quelle konstant ist. Kurz gesagt, ein solches Raumschiff könnte die Merkmale der Speziellen Relativitätstheorie nutzen und einen neuen Modus für das Studium der Astronomie bereitstellen.

Basierend auf Einsteins Theorie hätten verschiedene Objekte in verschiedenen „Ruhebildern“ unterschiedliche Maße für die Länge von Raum und Zeit. In diesem Sinne würde ein Objekt, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt, entfernte astronomische Objekte unterschiedlich betrachten, da die Lichtemissionen dieser Objekte verzerrt würden. Während Objekte vor dem Raumschiff die Wellenlänge ihres Lichts verkürzen würden, würden Objekte dahinter sie verlängern.

Dieses Phänomen, das als "Doppler-Effekt" bekannt ist, führt dazu, dass das Licht zum blauen Ende ("Blauverschiebung") bzw. zum roten Ende ("Rotverschiebung") des Spektrums verschoben wird, um sich Objekten zu nähern bzw. diese zurückzuziehen. 1929 verwendete der Astronom Edwin Hubble Rotverschiebungsmessungen, um festzustellen, dass sich entfernte Galaxien von unseren eigenen entfernten, und demonstrierte damit, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befand.

Aufgrund dieser Ausdehnung (bekannt als Hubble-Ausdehnung) ist ein Großteil des Lichts im Universum rotverschoben und nur in schwer zu beobachtenden Infrarotwellenlängen messbar. Aber für eine Kamera, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegt, würde dieses rotverschobene Licht laut Prof. Zhang blauer werden, da die Bewegung der Kamera den Auswirkungen der kosmischen Expansion entgegenwirken würde.

Dieser als „Doppler-Boosting“ bekannte Effekt würde dazu führen, dass das schwache Licht aus dem frühen Universum verstärkt wird und entfernte Objekte genauer untersucht werden können. In dieser Hinsicht könnten Astronomen einige der frühesten Objekte im bekannten Universum untersuchen, was mehr Hinweise darauf geben würde, wie es sich im Laufe der Zeit entwickelt hat. Wie Prof. Zhang dem Space Magazine per E-Mail erklärte, würde dies einige einzigartige Möglichkeiten bieten, die Spezielle Relativitätstheorie zu testen:

„Im Restbild der Kamera ist die Emission der Objekte in der Halbkugel der Kamerabewegung blau verschoben. Bei hellen Objekten mit detaillierten spektralen Beobachtungen vom Boden aus kann man sie im Flug beobachten. Durch Vergleichen ihres blauverschobenen Flusses bei einer bestimmten blauverschobenen Frequenz mit dem Fluss der entsprechenden (de-bläulich verschobenen) Frequenz am Boden kann man die Doppler-Boosting-Vorhersage in der Speziellen Relativitätstheorie genau testen. “

Darüber hinaus würden sich auch die Frequenz und Intensität des Lichts – und auch die Größe entfernter Objekte – für den Betrachter ändern. In dieser Hinsicht würde die Kamera als Objektiv und Weitfeldkamera fungieren, die Menge des gesammelten Lichts vergrößern und es Astronomen ermöglichen, mehr Objekte innerhalb desselben Sichtfelds zu beobachten. Durch den Vergleich der von der Kamera gesammelten Beobachtungen mit denen, die von einer Kamera vom Boden aus gesammelt wurden, konnten Astronomen auch den Lorentz-Faktor der Sonde testen.

Dieser Faktor gibt an, wie sich Zeit, Länge und relativistische Masse für ein Objekt ändern, während sich dieses Objekt bewegt. Dies ist eine weitere Vorhersage der speziellen Relativitätstheorie. Zu guter Letzt weist Prof. Zhang darauf hin, dass Sonden, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen, nicht an ein bestimmtes Ziel geschickt werden müssten, um diese Tests durchzuführen. Wie er erklärte:

„Das Konzept der„ relativistischen Astronomie “ist, dass man die Kameras nicht wirklich an bestimmte Sternensysteme senden muss. Keine Notwendigkeit zu zielen (z. B. zum Alpha Centauri-System), keine Notwendigkeit zu bremsen. Solange das Signal zurück zur Erde übertragen werden kann, kann man viele Dinge lernen. Interessante Ziele sind Galaxien mit hoher Rotverschiebung, aktive galaktische Kerne, Gammastrahlenausbrüche und sogar elektromagnetische Gegenstücke von Gravitationswellen. “

Dieser Vorschlag weist jedoch einige Nachteile auf. Für den Anfang geht es bei der Technologie hinter Starshot darum, den Traum unzähliger Generationen – d. H. Das Erreichen eines anderen Sternensystems (in diesem Fall Alpha Centauri) – innerhalb einer einzigen Generation zu verwirklichen.

Und wie Professor Abraham Loeb – der Frank B. Baird Jr. Professor für Wissenschaft an der Harvard University und der Vorsitzende und das Breakthrough Starshot Committee – dem Space Magazine per E-Mail sagte, kann das, was Prof. Zhang vorschlägt, auf andere Weise erreicht werden:

>„In der Tat hat es Vorteile, wenn sich eine Kamera in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit auf schwache Quellen wie die am weitesten entfernten Zwerggalaxien im frühen Universum bewegt. Die Kosten für den Start einer Kamera mit der erforderlichen Geschwindigkeit wären jedoch weitaus höher als für den Bau der nächsten Generation großer Teleskope, die uns eine ähnliche Empfindlichkeit bieten. Ebenso kann das Ziel, die spezielle Relativitätstheorie zu testen, zu wesentlich geringeren Kosten erreicht werden. “

Natürlich wird es viele Jahre dauern, bis ein Projekt wie Starshot umgesetzt werden kann, und in der Zwischenzeit müssen viele Herausforderungen angegangen werden. Es ist jedoch aufregend zu wissen, dass in der Zwischenzeit wissenschaftliche Anwendungen für eine solche Mission gefunden werden können, die über die Erforschung hinausgehen. In einigen Jahrzehnten, wenn die Mission beginnt, die Reise nach Alpha Centauri anzutreten, kann sie möglicherweise auch während des Transports Tests zur Speziellen Relativitätstheorie und anderen physikalischen Gesetzen durchführen.

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