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近光速摄像机让人类看得更远

2019-03-13 01:57:52

天文学家一直想要用更先进的科技来观察宇宙。每当研究者发明了一种新的方法,宇宙那不为人知的一面就展现在人们面前,人们对它的了解也会更深一层。

2016年四月,络投资者兼科学慈善家,Yuri Milner,已故物理学家史蒂芬·霍金和Facebook的CEO马克·扎克伯格一起公布了一个雄心勃勃的项目,他们要把摄像机发射到太阳系外。这个项目叫做“突破星射”,其理念是要把一堆很小的纳米航天器送到太阳近的邻居,包含三颗恒星的半人马座阿尔法星系那里。这些设备连同它们配备的摄像机会以大概百分之二十的光速——也就是每小时一亿英里的速度——目标是星系中小近的恒星比邻星和它的行星,距地球4.26光年远的比邻星b。

突破星射团队的目标仰仗于一系列未经证明的技术。他们计划用光帆以前所未有的速度载着这些航天器到达前人未到过的远方——地球上的激光会推着这些小船上超薄的反射帆前进。正当整个项目在筹备中时,我对这项技术又有另一个想法:研究人员可以从这些移动观测点中得到很有价值的数据,甚至在离半人马座阿尔法星系还很远的时候,就可以直接验证爱因斯坦的狭义相对论。

技术挑战有很多

要实现突破星射的目标绝不是一件简单的事情。这个项目依靠三种彼此独立的技术的持续发展。

首先,为了制造摄像机,研究人员需要大大减小其微电子组件的尺寸和重量。每一个纳米元件总重多只有几克——包括摄像机在内,还有其他像电源和通讯设备这样的载荷。

另一个挑战就是设备必须要薄,摄像机的“帆”必须用超轻且高反射率的材料来做。一种可能是用单层的石墨光帆——只有0.

近光速摄像机让人类看得更远

345纳米厚,也就是一层分子的厚度。

艺术想象图:激光推动装有光帆的航天器。突破奖基金会(禁止转载)

突破星射团队将从激光不断加强的功率和持续降低的价格中获益。从地面加速摄像机需要一千亿瓦特的激光束。就像风灌满帆船的帆,推动它前进一样,高能激光束的光子可以在被一面超轻反光的帆弹回来的同时,推动它前进。

根据预计的技术发展速度,至少还得再过二十年,科学家才可以发射速度不显著小于光速的摄像机。

然而就算这样的摄像机能被造出来,并被加速到这种程度,要实现到达半人马座阿尔法星系的梦想,我们所面对的挑战还有很多。研究人员能正确地瞄准摄像机,使它们到达恒星系统吗?摄像机能平安度过近20年的旅程,不被损坏吗?如果运气好,这趟旅程十分顺利的话,它们又能否顺利通过那么长一段距离,将图像之类的数据传回地球呢?

引入“相对论天文学”

我的合作者Kunyang Li是佐治亚理工学院的一名研究生。在这些技术被完善并准备好向半人马座阿尔法星系发射之前,他和我就已经看到了这些技术的潜力。

当一台摄像机在宇宙中以接近光速的速度穿行时——也就是以“相对论速度”运动——爱因斯坦的狭义相对论将会解释这些被摄像机拍下的图像发生的变化。爱因斯坦的理论认为在不同的“惯性系”中,观察者对空间和时间长度的测量有所不同。也就是说,空间和时间是相对的。两个观察者观察事物的差异取决于他们之间的相对速度。如果他们之间的相对速度接近光速的话,他们所观察到的事物将大不相同。

相对论同样还影响着许多其他物理学家测量的物理量——比如说,光的频率和强度,还有物体外形的大小。在相对摄像机静止的系中,整个宇宙都在以不显著低于光速的速度朝着与摄像机相反的方向运动。假想飞船上有一个人,由于他和地球上其他所有人所经历的时空不同,一颗恒星或一个星系所发出的光对他而言将看起来更蓝,更亮,更集中,且两个物体之间的角度差也看起来更小。

我们的设想是利用狭义相对论的这些特性在与我们不同的时空惯性系中用相对论相机观察熟悉的物体。这将给天文学带来一个全新的研究模式——我们叫它“相对论天文学”。

摄像机能拍到什么呢?

所以说,一台相对论摄像机自然就像一台摄谱仪,使研究人员能够看到原本更红的频率的光。它就像透镜一样,增大通过的光量。它就相当于一台宽视场摄像机,使天文学家能够在同样的视界里看到更多的物体。

让我来举一个用相对论摄像机收集到数据的例子。由于宇宙的膨胀,当早期宇宙的光到达地球时,它比出发时看起来要更红一些。物理学家们将其称作红移:在光传播的过程中,波长会随着宇宙的膨胀而变长。红光比蓝光的波长长,所以我们必须用难以观察到的红外波段来收集这些数据。

接下来就是相对论摄像机了。对于一台近光速运动的摄像机来说,这种红移过的光会看起来更蓝——也就是说,现在光又被蓝移了。摄像机运动的作用与宇宙膨胀的作用相抵消。现在,天文学家就可以用我们更为熟悉的可见光摄像机捕捉这些光了。同样的多普勒增强效应还会放大早期宇宙暗淡的光,使它更容易被探测到。观察遥远物体的光谱特征可以为我们揭开早期宇宙的神秘面纱,特别是大爆炸380,000年宇宙变透明后的发展过程。

相对论天文学另一令人兴奋的方面是人类次能够在宏观上测试狭义相对论的原则。通过比较相对论摄像机收集的图像和从地面上收集的图像,天文学家能够根据光的频率,通量和传播方向在不同惯性系中的变化地测试爱因斯坦相对论基本预测的正确性。

与星射项目的目标相比,用相对论摄像机观察宇宙还算是容易的。天文学家不需要担心摄像机的瞄准问题,因为无论往哪个方向拍摄,所得到的结果都会是有趣的。数据传输问题也多少有所减轻,因为传输的距离并没有那么远。保护摄像机的技术问题也没那么难了。

我们提议,用天文观测测试相对论的摄像机可以作为全套星射计划的前奏。人类将会有一座全新的天文“观测台”,用一种前所未有的方法观测宇宙。历史告诉我们像这样打开一扇新的窗户将会揭露许多之前没被人类发现的宝藏。

作者简介:

Bing Zhang

内华达州拉斯维加斯大学天体物理系教授

(翻译:费哲妮;审校:刘博尧)

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