光速天文学

以下文章经The Conversation许可转载，The Conversation是一家报道最新研究的在线出版物。

天文学家们致力于通过更先进的技术来观测宇宙。每当研究人员发明一种新方法时，都会收集到前所未有的信息，人们对宇宙的理解也会加深。

互联网投资人兼科学慈善家尤里·米尔纳、已故物理学家斯蒂芬·霍金和Facebook首席执行官马克·扎克伯格在2016年4月宣布了一项雄心勃勃的计划，将相机发射到远远超出太阳系的地方。该计划名为“突破摄星”，其构想是将一群微小的纳米航天器发送到太阳最近的恒星邻居，即三星系统半人马座阿尔法星系。这些航天器及其微型相机将以大约20%的光速（即每小时1亿英里）的速度飞行，目标是该系统中最小但最近的恒星比邻星及其行星比邻星b，距离地球4.26光年。

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“突破摄星”计划旨在为光束驱动的“纳米飞船”建立概念验证。

“突破摄星”团队的目标将依赖于许多尚未得到证实的技術。该计划是使用光帆使这些航天器比以往任何航天器飞得更远更快——地球上的激光将通过其超薄且反光的帆推动这些微型飞船。我还有另一个想法，可以在该项目启动时利用这项技术：研究人员可以从这些移动天文台中获得有价值的数据，甚至在它们接近半人马座阿尔法星之前很久就直接测试爱因斯坦的狭义相对论。

技术挑战比比皆是

实现“突破摄星”计划的目标绝非易事。该项目依赖于三个独立方面的持续技术发展。

首先，研究人员需要大幅度缩小微电子元件的尺寸和重量，以制造相机。每个纳米飞船计划总重量不超过几克——这不仅包括相机，还必须包括其他有效载荷，包括电源和通信设备。

另一个挑战将是制造薄、超轻且高反射性的材料，用作相机的“帆”。一种可能性是使用单层石墨烯帆——只有分子厚度，仅为0.345纳米。

“突破摄星”团队将受益于激光束功率的提升和成本的下降。需要100吉瓦功率的激光从地面加速相机。正如风充满帆船的帆并推动其前进一样，高能激光束中的光子在反弹时可以推动超轻反射帆前进。

按照预计的技术发展速度，科学家们可能还需要至少二十年的时间才能发射出以接近光速的速度飞行的相机。

即使可以制造和加速这样的相机，为了实现到达半人马座阿尔法星系的梦想，还必须克服更多的挑战。研究人员能否正确瞄准相机，使其到达恒星系统？相机能否在近20年的旅程中幸存下来而不会损坏？如果它克服了重重困难，旅程顺利，是否有可能将数据（比如图像）通过如此遥远的距离传输回地球？

介绍“相对论天文学”

我的合作者，佐治亚理工学院的研究生李坤阳和我看到了所有这些技术的潜力，即使在它们完善并准备好前往半人马座阿尔法星之前。

当相机在太空中以接近光速的速度（可以称为“相对论速度”）飞行时，爱因斯坦的狭义相对论在相机拍摄的图像如何被修改方面发挥了作用。爱因斯坦的理论指出，在不同的“静止参考系”中，观察者对空间和时间的长度有不同的测量值。也就是说，空间和时间是相对的。两位观察者测量事物的方式有多么不同，取决于他们相对于彼此的移动速度有多快。如果相对速度接近光速，他们的观察结果可能会有显著差异。

狭义相对论也影响物理学家测量的许多其他事物——例如，光的频率和强度，以及物体外观的大小。在相机的静止参考系中，整个宇宙正以接近光速的速度沿相机自身运动的相反方向移动。对于一位假想的船上人员来说，由于他和地球上的所有人经历了不同的时空，来自恒星或星系的光会显得更蓝、更亮、更紧凑，并且两个物体之间的角距离会显得更小。

我们的想法是利用狭义相对论的这些特征，在相对论相机不同的时空静止参考系中观察熟悉的物体。这可以为研究天文学提供一种新模式——我们称之为“相对论天文学”。

相机可以捕捉到什么？

因此，相对论相机自然可以充当摄谱仪，使研究人员能够观察本质上更红的光带。它将充当透镜，放大其收集的光量。而且它将是一台广角相机，让天文学家在相机的同一视场内观察到更多的物体。

这是一个我们可以使用相对论相机收集的数据类型的一个例子。由于宇宙的膨胀，来自早期宇宙的光到达地球时比它开始时更红。物理学家称这种效应为红移：当光传播时，其波长会随着宇宙的膨胀而拉伸。红光的波长比蓝光长。所有这一切都意味着，要看到来自年轻宇宙的红移光，必须使用难以观测的红外波长来收集它。

相对论相机登场了。对于以接近光速的速度移动的相机来说，这种红移光会变成更蓝——也就是说，它现在是蓝移了。相机运动的效果抵消了宇宙膨胀的效果。现在，天文学家可以使用熟悉的可见光相机捕捉到那束光。同样的多普勒增强效应也允许早期宇宙的微弱光被放大，从而有助于探测。观察遥远物体的光谱特征可以让我们揭示早期宇宙的历史，尤其是宇宙在大爆炸后38万年变得透明后是如何演化的。

相对论天文学的另一个令人兴奋的方面是，人类可以首次使用宏观测量直接检验狭义相对论的原理。通过比较在相对论相机上收集的观测结果和从地面收集的观测结果，天文学家可以精确地测试爱因斯坦相对论关于不同静止参考系中频率、通量和光传播方向变化的根本预测。

与“摄星”项目的最终目标相比，使用相对论相机观测宇宙应该更容易。天文学家不必担心瞄准相机，因为它在任何方向发送时都可能获得有趣的结果。由于距离不会那么远，数据传输问题在某种程度上得到了缓解。保护相机的技术难度也是如此。

我们建议，尝试使用相对论相机进行天文观测可能是完整的“摄星”项目的先驱。人类将拥有一个新的天文“观测站”，以一种前所未有的方式研究宇宙。历史表明，打开这样一个新窗口将揭示许多以前未被发现的宝藏。

本文最初发表于The Conversation。阅读原文。