在实现霍金“突破摄星计划”之前 人们有机会了解早期宇宙历史

未来以相对论速度飞行的太空探测器将为研究宇宙提供一个独特的有利位置。

图：半人马座阿尔法星的双星，我们最近的邻近恒星系统，如哈勃太空望远镜所见。

(图源：NASA)

当“相对论性相机”以接近光速的速度向这些附近的恒星移动时，会看到什么?

天文学家努力通过更先进的技术观察宇宙。每当研究人员发明一种新方法时，就会收集前所未有的信息，加深人们对宇宙的理解。

2016年4月，互联网投资者、科学慈善家尤里·米尔纳(Yuri Milner)、已故物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和脸书首席执行官马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)联合宣布了一项雄心勃勃的计划，“突破摄星计划”(Breakthrough Starshot)。

所谓的“突破摄星计划”，目标是开发数千个邮票大小的纳米小型太空飞船，飞往我们最近的恒星系，并发回照片。

一群“超微型飞船”(nano-spacecraft)将飞向半人马座阿尔法星星系。

如果获得成功，那么科学家将可以判断，半人马座阿尔法星星系是否包含类似地球的行星，容纳生命的存在。半人马座α星距离地球约4.3光年。

不过需要指出，Breakthrough Starshot项目将开发携带摄像头和通讯设备的小型太空飞船。科学家希望这样的小型飞船速度能达到20%光速。这一速度远高于当前的太空飞船，该项目开发需要多年时间，目前尚不能确定是否成功。

计划第一步是研发能达到相对论速度的光驱动"纳米飞行器"——航行速度最高可达光速的20%，作为探测器。

由常规火箭一次发射上千个这样的探测器进入地球轨道。探测器除了光帆之外，还带有"星芯片":一种质量为克级的晶片，携带有摄影机、光子推进装置、动力系统、导航和通讯设备。

探测器在轨道上张开光帆，一组高能激光会依次为探测器加速，每个加速时间不超过几分钟;出于冷却和维护等需求，大约每一到两天进行一次加速任务。每个探测器都装备有研究行星或小行星的传感器，数据将会通过探测器携带的激光发回地球。

突破摄星计划的团队的目标将依赖于许多尚未被证实的技术。

研究人员可以从这些移动天文台获得有价值的数据，甚至直接测试爱因斯坦的狭义相对论，早在他们接近半人马座阿尔法星之前。

技术挑战无处不在

但实现“突破摄星计划”的目标绝非易事。该项目依赖于三个独立领域的持续技术发展。

首先，研究人员需要大幅降低微电子元件的尺寸和重量，才能制造出一台相机。每个纳米飞行器计划的总量不超过几克，这不仅包括摄像机，还包括其他有效载荷，包括电源和通讯设备。

另一项挑战将是建造薄的、超轻的、高反射的材料作为相机的“帆”。一种可能的材料是单层石墨烯，只有一个分子厚，只有0.345纳米。

这一突破摄星团队将受益于激光光束的不断上升的能量和不断下降的成本。需要用100亿瓦特的激光来加速地面上的摄像机。

就像风填满了帆船的帆并推动它前进一样，高能激光束的光子可以推动一个超轻的反射帆向前反弹。

根据预计的技术发展速度，科学家可能至少还需要20年时间才能发射出一架速度达到光速相当一部分的相机。

即使这样的照相机能够被建造和加速，为了实现到达半人马座阿尔法星星系的梦想，必须克服更多的挑战。

研究人员能正确地瞄准发射，让它们准确无误地到达半人马座阿尔法星星系吗?

在近20年的旅程中，相机还能安然无恙吗?

如果它能克服重重困难，而且这次旅行顺利的话，那么在这么大的距离内，是否有可能把数据传回地球呢?

引入“相对论天文学”

当一架照相机以接近光速的速度在太空飞行时，所谓的“相对论速度”——爱因斯坦的狭义相对论在如何改变相机拍摄的图像中起着重要作用。

爱因斯坦的理论指出，在不同的“静止框架”中，观察者对空间和时间的长度有不同的度量。

也就是说，空间和时间是相对的。

两个观察者测量事物的不同程度取决于他们相对于对方的速度。如果相对速度接近光速，他们的观测结果会有很大的不同。

图：多普勒效应解释了一个远离你的光源如何拉伸它的光的波长，使它看起来更红，而如果它离你更近，波长就会缩短，看起来更蓝。

狭义相对论还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。

在相机的静止框架中，整个宇宙的运动速度与相机自身运动方向相反。

对于飞船上的一个虚构的人来说，由于他和地球上的每个人经历了不同的空间时间，来自恒星或星系的光会显得更蓝、更亮、更紧凑，两个物体之间的角度分离看起来会更小。

我们的想法是利用狭义相对论的这些特性，在相对论相机不同的时空静止框架中观察熟悉的物体。

这可以为研究天文学提供一种新的模式——我们称之为“相对论天文学”。

因此，一个相对论性的照相机自然会充当光谱仪，使研究人员能够看到本质上更红的光带。

它就像一个透镜，放大它收集的光量。这将是一个广域相机，让天文学家在同一视场内观察更多物体的照相机。

图：红移的一个例子:在右边，吸收线靠近光谱的红端。

这里有一个例子关于我们可以用相对论摄像头收集到的数据。

由于宇宙的膨胀，早期宇宙发出的光在到达地球时比开始时更红。物理学家称这种效应为红移:当光传播时，它的波长随着宇宙的膨胀而延长。

红光的波长比蓝光长。

所有这一切意味着，要从年轻的宇宙中看到红移的光，就必须利用难以观察的红外线波长来收集。

回到相对论相机。对于以接近光速运动的相机来说，这种红移的光线会变成蓝色——也就是说，它现在变成了蓝移。

摄像机运动的效果抵消了宇宙膨胀的影响。

现在，天文学家可以用我们熟悉的可见光摄像机捕捉到这种光线。同样的多普勒效应也允许早期宇宙发出的微弱光被放大，从而有助于探测。

观察遥远物体的光谱特征可以让我们了解早期宇宙的历史，特别是宇宙在大爆炸后38万年变得透明之后是如何进化的。

相对论天文学另一个令人兴奋的方面是，人类可以第一次用宏观测量直接检验狭义相对论的原理。

通过比较相对论相机和地面相机的观测结果，天文学家可以精确地检验爱因斯坦相对论关于不同静止帧中频率、通量和光传播方向变化的基本预测。

与“突破摄星计划”的最终目标相比，用相对论性的照相机观察宇宙应该更容易些。

天文学家不需要担心瞄准相机，因为无论发送到任何方向，它都可以得到有趣的结果。

数据传输问题有所缓解，因为距离不会那么大。保护相机的技术难度也是如此。

我们认为，尝试用相对论性的照相机进行天文观测，可能是整个摄星计划的先驱。

人类将拥有一个新的庞大“天文台”，以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开许多以前未被发现的珍宝的面纱。