Observer l’univers avec un appareil photo qui se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière

Dans la réussite hypothétique du projet Breakthrough Starshot, qui est l’envoi de vaisseaux miniatures sur Alpha Centauri, un chercheur propose un concept d’appareil photo qui exploite certains effets de la relativité restreinte.


Une image d'Alpha Centauri prise par le téléscope Hubble - Crédit : ESA/NASA
Une image d'Alpha Centauri prise par le téléscope Hubble - Crédit : ESA/NASA

Les astronomes s’efforcent d’observer l’univers par des techniques toujours plus avancées. Chaque fois que les chercheurs inventent une nouvelle méthode, on collecte des informations sans précédent et on a une meilleure compréhension du cosmos.

Un programme ambitieux, visant à projeter des appareils photo bien au-delà du système solaire, a été annoncé en avril 2016 par le philanthrope Yuri Milner, le regretté physicien Stephen Hawking et le PDG de Facebook Mark Zuckerberg. Baptisé Breakthrough Starshot, l’idée est d’envoyer un petit nano-vaisseau spatial dans le système Alpha Centauri, qui est le plus proche voisin de notre soleil.1

Breakthrough Starshot

Voyageant à environ 20 % de la vitesse de la lumière, jusqu’à 160 millions de kilomètres par heure, l’engin et ses minuscules appareils photo observeraient l’étoile la plus petite et la plus proche du système, Proxima Centari et sa planète Proxima b, qui se trouve à 4,26 années-lumières de la Terre.

L’objectif de l’équipe Breakthrough Starshot reposera sur un certain nombre de technologies qu’on n’a pas encore inventé. Le plan est d’utiliser des voiles légères pour augmenter la vitesse de ces vaisseaux spatiaux et des lasers sur Terre pousseront les minuscules vaisseaux via ces voiles super-minces et réfléchissantes. J’ai une autre idée qui pourrait se greffer sur cette technologie alors que le projet se prépare. Les chercheurs pourraient obtenir des données précieuses de ces observatoires mobiles, comme le fait de tester directement la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, bien avant que ces vaisseaux ne se rapprochent d’Alpha Centauri.

Une pléthore de défis techniques

Le projet est irréaliste pour beaucoup de personnes, mais il n’est pas impossible. Le projet repose sur le développement technologique continu sur trois fronts indépendants. Tout d’abord, les chercheurs devront réduire considérablement la taille et le poids des composants microélectroniques pour faire un appareil photo. Chaque nano-vaisseau ne devrait pas dépasser quelques grammes au total et cela inclura non seulement l’appareil photo, mais aussi d’autres charges utiles, y compris l’alimentation électrique et l’équipement de communication.

Un autre défi consistera à fabriquer des matériaux fins, ultra-légers et hautement réfléchissants pour servir de voile à l’appareil photo. Une possibilité est d’avoir une voile de graphène monocouche avec une épaisseur d’une seule molécule, soit 0,345 nanomètre.2 3

Illustration d'artiste de vaisseaux miniatures avec des voiles solaires

Illustration d’artiste de vaisseaux miniatures avec des voiles solaires

L’équipe de Breakthrough Starshot bénéficiera de la montée en puissance et de la baisse des coûts des faisceaux laser. Des lasers d’une puissance de 100 gigawatts sont nécessaires pour accélérer les appareils photo depuis le sol. Tout comme le vent remplit les voiles d’un voilier et le pousse vers l’avant, les photons d’un faisceau laser de haute énergie peuvent propulser une voile réfléchissante ultralégère vers l’avant.

Avec le taux de développement technologique prévu, il faudra probablement au moins deux décennies de plus avant que les scientifiques puissent lancer un appareil photo qui voyage avec une vitesse d’une fraction significative de la vitesse de la lumière. Même si on peut construire et accélérer un tel appareil photo, plusieurs autres défis doivent être surmontés afin de réaliser le rêve d’atteindre le système Alpha Centauri. Les chercheurs peuvent-ils viser correctement les appareils photo pour qu’ils atteignent le système stellaire ? L’appareil photo peut-il survivre au voyage de près de 20 ans sans être endommagé ? Et si tout se passe bien, sera-t-il possible de transmettre les données, disons des images, à la Terre sur une si grande distance ?

Présentation de l’astronomie relativiste

Moi et mon collaborateur Kunyang Li, nous voyons le potentiel dans toutes ces technologies avant même qu’ils sont perfectionnés et prêts à partir pour Alpha Centauri.4 Quand un appareil photo se déplace dans l’espace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, qu’on pourrait appeler comme une vitesse relativiste, la théorie de la relativité spéciale d’Einstein joue un rôle dans la modification des images prises par l’appareil photo. La théorie d’Einstein indique que dans différents cadres de repos, les observateurs ont des mesures différentes des longueurs d’espace et de temps. Autrement dit, l’espace et le temps sont relatifs. La mesure dans laquelle les deux observateurs mesurent les choses dépend de la vitesse à laquelle ils se déplacent les uns par rapport aux autres. Si la vitesse relative est proche de la vitesse de la lumière, alors leurs observations peuvent différer sensiblement.

La relativité restreinte affecte aussi beaucoup d’autres choses mesurées par les physiciens, par exemple, la fréquence et l’intensité de la lumière ainsi que la taille de l’apparence d’un objet. Dans le cadre de repos de l’appareil photo, l’univers entier se déplace à une bonne fraction de la vitesse de la lumière dans la direction opposée du mouvement de cet appareil. Pour une personne imaginaire à bord, grâce aux différentes expériences spatiales vécues par cette personne et tous ceux qui sont de retour sur Terre, la lumière d’une étoile ou d’une galaxie semblerait plus bleue, plus brillante et plus compacte et la séparation angulaire entre deux objets semblerait plus petite.

L'effet Doppler explique comment une source s'éloignant de vous étire les longueurs d'onde de sa lumière et semble plus rouge, tandis que si elle se rapproche, les longueurs d'onde se raccourcissent et paraissent plus bleues -  Crédit : Aleš Tošovský, CC BY-SA

L’effet Doppler explique comment une source s’éloignant de vous étire les longueurs d’onde de sa lumière et semble plus rouge, tandis que si elle se rapproche, les longueurs d’onde se raccourcissent et paraissent plus bleues –
Crédit : Aleš Tošovský, CC BY-SA

Notre idée est de tirer parti de ces caractéristiques de la relativité restreinte pour observer des objets familiers dans le cadre de repos différent de l’espace-temps de l’appareil photo relativiste. Cela peut fournir un nouveau mode d’étude de l’astronomie que nous appelons l’astronomie relativiste.

Que pourrait capturer ce type d’appareil photo ?

Ainsi, un appareil photo relativiste servirait naturellement de spectrographe, permettant aux chercheurs de regarder une bande de lumière intrinsèquement plus rouge. Il fonctionnerait comme une lentille, agrandissant la quantité de lumière qu’il collecte. Et ce serait un appareil photo à champ large, permettant aux astronomes d’observer plus d’objets dans le même champ de vision de l’appareil photo.

Sur la gauche, une image de la galaxie M51. Sur la droite, l'aspect de la même image prise par un appareil photo se déplaçant à la moitié de la vitesse de la lumière. Plus brillante, plus bleue et avec les étoiles dans la galaxie qui semble plus proches - Crédit : Zhang & Li, 2018, The Astrophysical Journal, CC BY-ND

Sur la gauche, une image de la galaxie M51. Sur la droite, l’aspect de la même image prise par un appareil photo se déplaçant à la moitié de la vitesse de la lumière. Plus brillante, plus bleue et avec les étoiles dans la galaxie qui semble plus proches – Crédit : Zhang & Li, 2018, The Astrophysical Journal, CC BY-ND

En raison de l’expansion de l’univers, la lumière de l’univers primitif est plus rouge au moment où il atteint la Terre. Les physiciens appellent cet effet comme le décalage vers le rouge (Redshift). Au fur et à mesure que la lumière voyage, sa longueur d’onde s’étire au fur et à mesure qu’elle s’étend avec l’univers. La lumière rouge a des longueurs d’onde plus longues que la lumière bleue. Tout cela signifie que pour voir la lumière rouge décalée du jeune univers, il faut utiliser les longueurs d’onde infrarouges difficiles à observer.

Et c’est là qu’on peut utiliser l’appareil photo relativiste. Pour un appareil photo se déplaçant à proximité de la vitesse de la lumière, une telle lumière décalée vers le rouge devient plus bleue, c’est-à-dire qu’elle est maintenant décalée vers le bleu. L’effet du mouvement de l’appareil photo contrecarre l’effet de l’expansion de l’univers. Désormais, un astronome pourrait capturer cette lumière en utilisant la lumière visible standard de l’appareil photo. Le même effet Doppler permet également d’amplifier la faible lumière du début de l’univers, facilitant ainsi la détection. L’observation des caractéristiques spectrales des objets éloignés peut nous permettre de révéler l’histoire de l’univers primitif, en particulier comment l’univers a évolué après qu’il soit devenu transparent 380 000 ans après le Big Bang.

Un autre aspect passionnant de l’astronomie relativiste est que l’humanité peut tester directement les principes de la relativité restreinte en utilisant des mesures macroscopiques. En comparant les observations recueillies sur l’appareil photo relativiste et celles collectées à partir du sol, les astronomes pourraient tester avec précision les prédictions fondamentales de la relativité d’Einstein concernant le changement de fréquence, de flux et de direction de la lumière dans différents cadres de repos.

Comparée aux objectifs ultimes du projet Starshot, l’observation de l’univers en utilisant des appareils photo relativistes devrait être plus facile. Les astronomes n’auraient pas à s’inquiéter de cibler précisément l’appareil photo, car ils pourraient obtenir des résultats intéressants lorsqu’ils sont envoyés dans n’importe quelle direction. Le problème de transmission de données est quelque peu allégé puisque les distances ne seraient pas aussi grandes.

Nous proposons que l’expérimentation d’appareils photo relativistes pour des observations astronomiques pourrait être un précurseur du projet complet Starshot. Et l’humanité aura un nouvel observatoire astronomique pour étudier l’univers d’une manière sans précédent.

Traduction d’un article de The Conversation par Bing Zhang, professeur d’astrophysique à l’université du Nevada.

Sources

1.
Breakthrough Starshot. breakthroughinitiatives.org. https://breakthroughinitiatives.org/initiative/3. Published July 2, 2018. Accessed July 2, 2018.
2.
CONCEPT. breakthroughinitiatives.org. http://breakthroughinitiatives.org/concept/3. Published July 2, 2018. Accessed July 2, 2018.
3.
Solar sail. en.wikipedia.org. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail. Published July 2, 2018. Accessed July 2, 2018.
4.
Zhang B, Li K. Relativistic Astronomy. A. 2018;854(2):123. doi:10.3847/1538-4357/aaa9b7
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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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