Gökbilimciler, evreni her zamankinden daha gelişmiş tekniklerle gözlemlemeye çalışıyorlar. Araştırmacılar ne zaman yeni bir yöntem icat etse, benzeri görülmemiş bilgiler toplanır ve insanların kozmosu anlamaları derinleşir.
Nisan 2016’da internet yatırımcısı ve bilim hayırseveri Yuri Milner, fizikçi Stephen Hawking ve Facebook CEO’su Mark Zuckerberg tarafından güneş sisteminin çok ötesinde kameraları patlatmak için iddialı bir program duyuruldu. “ Çığır Açan Starshot ” olarak adlandırılan fikir, güneşin en yakın yıldız komşusu olan üç yıldızlı Alpha Centauri sistemine bir grup minik nano-uzay aracı göndermek. Işık hızının yaklaşık yüzde 20’sinde – saatte 100 milyon mil kadar hızlı – seyahat eden araç ve küçük kameraları, sistemdeki en küçük ama en yakın yıldız olan Proxima Centari’yi ve gezegeni Proxima b’yi, 4.26 ışığı hedefleyecekti. Dünya’dan yıllar.
Breakthrough Starshot ekibinin hedefi, henüz kanıtlanmamış bir dizi teknolojiye dayanacak. Plan, bu uzay aracını daha önce gelen her şeyden daha ileriye ve daha hızlı hale getirmek için hafif yelkenleri kullanmaktır – Dünya’daki lazerler, süper ince ve yansıtıcı yelkenleriyle minik gemileri itecektir. Proje hazırlanırken bu teknolojiyi destekleyebilecek başka bir fikrim var: Araştırmacılar bu mobil gözlemevlerinden değerli veriler elde edebilir, hatta Einstein’ın özel görelilik teorisini Alpha Centauri’ye yaklaşmadan çok önce doğrudan test edebilirler.
Teknik zorluklar bol
Breakthrough Starshot’ın hedefine ulaşmak hiç de kolay bir iş değil. Proje, üç bağımsız cephede devam eden teknolojik gelişmeye dayanmaktadır.
İlk olarak, araştırmacıların bir kamera yapmak için mikro elektronik bileşenlerin boyutunu ve ağırlığını önemli ölçüde azaltmaları gerekecek. Her bir nanocraft toplamda birkaç gramdan fazla olmayacak şekilde planlandı ve bu sadece kamerayı değil, aynı zamanda güç kaynağı ve iletişim ekipmanı dahil olmak üzere diğer faydalı yükleri de içermek zorunda kalacak.
Diğer bir zorluk ise, kamera için “yelken” görevi görecek ince, ultra hafif ve oldukça yansıtıcı malzemeler oluşturmak olacaktır. Bir olasılık, tek katmanlı bir grafen yelkene sahip olmaktır – sadece bir molekül kalınlığında, sadece 0,345 nanometre .
Breakthrough Starshot ekibi, lazer ışınlarının artan gücünden ve düşen maliyetinden faydalanacak. Kameraları yerden hızlandırmak için 100 Gigawatt gücünde lazerlere ihtiyaç var. Tıpkı rüzgarın bir yelkenlinin yelkenlerini doldurup onu ileri ittiği gibi, yüksek enerjili bir lazer ışınından gelen fotonlar, geri sekerken ultra hafif yansıtıcı bir yelkeni ileri itebilir.
Öngörülen teknoloji geliştirme hızıyla, bilim adamlarının ışık hızının önemli bir kısmıyla hareket eden bir kamerayı piyasaya sürmesi muhtemelen en az yirmi yıl daha alacak.
Böyle bir kamera inşa edilip hızlandırılabilse bile, Alpha Centauri sistemine ulaşma hayalini gerçekleştirmek için daha birçok zorluğun üstesinden gelinmesi gerekiyor. Araştırmacılar, yıldız sistemine ulaşmaları için kameraları doğru bir şekilde hedefleyebilirler mi? Kamera 20 yıla yakın bir yolculukta bile hasar görmeden hayatta kalabilir mi? Ve eğer ihtimalleri aşarsa ve yolculuk iyi giderse, verileri – örneğin görüntüleri – Dünya’ya bu kadar büyük bir mesafeden iletmek mümkün olacak mı?
‘Göreceli astronomi’ ile tanışın
Georgia Institute of Technology’de yüksek lisans öğrencisi olan iş arkadaşım Kunyang Li ve tüm bu teknolojilerde , daha mükemmelleştirilmeden ve Alpha Centauri’ye gitmeye hazır olmadan önce potansiyel görüyorum.
Bir kamera ışık hızına yakın bir hızda uzayda seyahat ettiğinde – buna “göreceli hız” denebilir – Einstein’ın özel görelilik kuramı, kamera tarafından çekilen görüntülerin nasıl değiştirileceği konusunda rol oynar. Einstein’ın teorisi, farklı “dinlenme çerçevelerinde” gözlemcilerin uzay ve zamanın uzunluklarının farklı ölçümlerine sahip olduğunu belirtir. Yani uzay ve zaman görecelidir. İki gözlemcinin nesneleri ne kadar farklı ölçtüğü, birbirlerine göre ne kadar hızlı hareket ettiklerine bağlıdır. Göreceli hız ışık hızına yakınsa, gözlemleri önemli ölçüde değişebilir.
Özel görelilik, fizikçilerin ölçtüğü diğer birçok şeyi de etkiler – örneğin, ışığın frekansı ve yoğunluğu ve ayrıca bir nesnenin görünüşünün boyutu. Kameranın geri kalan karesinde, tüm evren, kameranın kendi hareketinin tersi yönünde ışık hızının iyi bir bölümünde hareket etmektedir. Gemideki hayali bir kişiye, kendisinin ve Dünya’daki herkesin deneyimlediği farklı uzay-zamanlar sayesinde, bir yıldızdan veya galaksiden gelen ışık daha mavi, daha parlak ve daha kompakt görünecek ve iki nesne arasındaki açısal ayrım daha küçük görünecektir.
Bizim fikrimiz, göreli kameranın farklı uzay-zaman dinlenme çerçevesindeki tanıdık nesneleri gözlemlemek için özel göreliliğin bu özelliklerinden yararlanmaktır. Bu, astronomiyi incelemek için yeni bir mod sağlayabilir – buna “göreceli astronomi” diyoruz.
Kamera ne yakalayabilir?
Bu nedenle, göreli bir kamera doğal olarak bir spektrograf işlevi görecek ve araştırmacıların özünde daha kırmızı bir ışık bandına bakmasına olanak tanıyacaktır. Topladığı ışık miktarını büyüten bir mercek görevi görecekti. Ve astronomların kameranın aynı görüş alanı içinde daha fazla nesneyi gözlemlemesine izin veren geniş alanlı bir kamera olurdu.
Göreceli kamerayı kullanarak toplayabildiğimiz veri türünün bir örneğini burada bulabilirsiniz. Evrenin genişlemesi nedeniyle, erken evrenden gelen ışık, Dünya’ya ulaştığında başladığı zamandan daha kırmızıdır. Fizikçiler bu etkiye kırmızıya kayma diyorlar: Işık yol aldıkça, evrenle birlikte genişledikçe dalga boyu da uzar. Kırmızı ışık, mavi ışıktan daha uzun dalga boylarına sahiptir. Bütün bunlar, genç evrenden kırmızıya kaydırılmış ışığı görmek için, onu toplamak için gözlemlenmesi zor kızılötesi dalga boylarını kullanmak gerektiği anlamına gelir.
Göreceli kameraya girin. Işık hızına yakın bir hızda hareket eden bir kamera için, bu tür kırmızıya kaymış ışık daha mavi hale gelir – yani artık maviye kaymıştır. Kameranın hareketinin etkisi, evrenin genişlemesinin etkisini ortadan kaldırır. Artık bir astronom, tanıdık görünür ışık kamerasını kullanarak bu ışığı yakalayabilir. Aynı Doppler güçlendirme etkisi, aynı zamanda erken evrenden gelen zayıf ışığın amplifiye edilmesini sağlayarak algılamaya yardımcı olur. Uzaktaki nesnelerin spektral özelliklerini gözlemlemek, erken evrenin tarihini, özellikle de evrenin Büyük Patlama’dan 380.000 yıl sonra şeffaf hale geldikten sonra nasıl evrimleştiğini ortaya çıkarmamızı sağlayabilir.
Göreceli astronominin bir başka heyecan verici yönü de, insanoğlunun ilk kez makroskopik ölçümler kullanarak özel görelilik ilkelerini doğrudan test edebilmesidir. Göreceli kamerada toplanan gözlemlerle yerden toplanan gözlemleri karşılaştıran gökbilimciler, Einstein’ın göreliliğinin frekans, akı ve ışık hareket yönünün farklı dinlenme çerçevelerindeki değişimiyle ilgili temel tahminlerini tam olarak test edebilirler.
Starshot projesinin nihai hedefleriyle karşılaştırıldığında, evreni göreli kameralar kullanarak gözlemlemek daha kolay olmalıdır. Herhangi bir yöne gönderildiğinde ilginç sonuçlar alabileceğinden, gökbilimcilerin kamerayı hedefleme konusunda endişelenmelerine gerek kalmayacak. Mesafeler o kadar büyük olmayacağından, veri iletim sorunu biraz hafifletilmiştir. Kamerayı korumanın teknik zorluğu ile aynı.
Astronomik gözlemler için göreli kameraları denemenin tam Starshot projesinin öncüsü olabileceğini öneriyoruz. Ve insanlık, evreni benzeri görülmemiş bir şekilde incelemek için yeni bir astronomik “gözlemevi”ne sahip olacak. Tarih, bunun gibi yeni bir pencere açmanın daha önce keşfedilmemiş birçok hazineyi ortaya çıkaracağını gösteriyor.