Les astronomes s'efforcent d'observer l'univers via des techniques toujours plus avancées. Chaque fois que les chercheurs inventent une nouvelle méthode, des informations sans précédent sont collectées et la compréhension des gens du cosmos s'approfondit.

Un programme ambitieux visant à faire exploser des caméras bien au-delà du système solaire a été annoncé en avril 2016 par l'investisseur Internet et philanthrope scientifique Yuri Milner, feu le physicien Stephen Hawking et le PDG de Facebook Mark Zuckerberg. Appelé "Breakthrough Starshot, " l'idée est d'envoyer un tas de minuscules nano-engins spatiaux vers le voisin stellaire le plus proche du soleil, le système trois étoiles Alpha Centauri. Voyageant à environ 20 pour cent de la vitesse de la lumière - donc aussi vite que 100 millions de miles par heure - l'engin et leurs minuscules caméras viseraient l'étoile la plus petite mais la plus proche du système, Proxima Centari, et sa planète Proxima b, 4,26 années-lumière de la Terre.

L'objectif de l'équipe Breakthrough Starshot s'appuiera sur un certain nombre de technologies qui n'ont pas encore fait leurs preuves. Le plan est d'utiliser des voiles légères pour amener ces engins spatiaux plus loin et plus rapidement que tout ce qui s'est passé auparavant – les lasers sur Terre pousseront les minuscules navires via leurs voiles ultra-minces et réfléchissantes. J'ai une autre idée qui pourrait s'appuyer sur cette technologie alors que le projet se prépare :les chercheurs pourraient obtenir des données précieuses de ces observatoires mobiles, même tester directement la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, bien avant qu'ils ne s'approchent d'Alpha Centauri.

Les défis techniques abondent

Atteindre l'objectif de Breakthrough Starshot n'est en aucun cas une tâche facile. Le projet repose sur un développement technologique continu sur trois fronts indépendants.

D'abord, les chercheurs devront réduire considérablement la taille et le poids des composants microélectroniques pour fabriquer une caméra. Chaque nanocraft est prévu pour ne pas dépasser quelques grammes au total - et cela devra inclure non seulement la caméra, mais aussi d'autres charges utiles, notamment des équipements d'alimentation et de communication.

Un autre défi sera de construire mince, des matériaux ultra-légers et hautement réfléchissants pour servir de "voile" à l'appareil photo. Une possibilité est d'avoir une voile de graphène monocouche - juste une molécule d'épaisseur, seulement 0,345 nanomètre.

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

Avec le taux de développement technologique prévu, il faudra probablement encore au moins deux décennies avant que les scientifiques puissent lancer une caméra voyageant à une vitesse représentant une fraction significative de la vitesse de la lumière.

Même si une telle caméra pouvait être construite et accélérée, plusieurs autres défis doivent être surmontés afin de réaliser le rêve d'atteindre le système Alpha Centauri. Les chercheurs peuvent-ils orienter correctement les caméras pour qu'elles atteignent le système stellaire ? L'appareil photo peut-il même survivre au voyage de près de 20 ans sans être endommagé ? Et s'il bat la chance et que le voyage se passe bien, sera-t-il possible de transmettre les données - disons, images – de retour sur Terre sur une distance aussi énorme ?

Présentation de « l'astronomie relativiste »

Mon collaborateur Kunyang Li, un étudiant diplômé du Georgia Institute of Technology, et je vois du potentiel dans toutes ces technologies avant même qu'elles ne soient perfectionnées et prêtes à partir pour Alpha Centauri.

Lorsqu'une caméra voyage dans l'espace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière – ce qu'on pourrait appeler la « vitesse relativiste » – la théorie de la relativité restreinte d'Einstein joue un rôle dans la façon dont les images prises par la caméra seront modifiées. La théorie d'Einstein stipule que dans différents "cadres de repos", les observateurs ont différentes mesures de la longueur de l'espace et du temps. C'est-à-dire, l'espace et le temps sont relatifs. La différence avec laquelle les deux observateurs mesurent les choses dépend de la vitesse à laquelle ils se déplacent l'un par rapport à l'autre. Si la vitesse relative est proche de la vitesse de la lumière, leurs observations peuvent différer considérablement.

La relativité restreinte affecte également de nombreuses autres choses que les physiciens mesurent - 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 la caméra, l'univers entier se déplace à une bonne fraction de la vitesse de la lumière dans la direction opposée au mouvement propre de la caméra. A une personne imaginaire à bord, grâce aux différents espaces-temps vécus par lui et tout le monde sur Terre, la lumière d'une étoile ou d'une galaxie semblerait plus bleue, plus lumineux et plus compact, et la séparation angulaire entre deux objets semblerait plus petite.

Notre idée est de tirer parti de ces caractéristiques de la relativité restreinte pour observer des objets familiers dans le cadre de repos spatio-temporel différent de la caméra relativiste. Cela peut fournir un nouveau mode d'étude de l'astronomie – ce que nous appelons « l'astronomie relativiste ».

Qu'est-ce que la caméra pourrait capturer ?

Donc, une caméra relativiste servirait naturellement de spectrographe, permettant aux chercheurs d'observer une bande de lumière intrinsèquement plus rouge. Il agirait comme une lentille, grossissant la quantité de lumière qu'il recueille. Et ce serait une caméra grand champ, permettant aux astronomes d'observer plus d'objets dans le même champ de vision de la caméra.

Voici un exemple du type de données que nous pourrions recueillir à l'aide de la caméra relativiste. En raison de l'expansion de l'univers, la lumière de l'univers primitif est plus rouge au moment où elle atteint la Terre que lorsqu'elle a commencé. Les physiciens appellent cet effet le décalage vers le rouge :au fur et à mesure que la lumière voyage, sa longueur d'onde s'étend 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 décalée vers le rouge du jeune univers, il faut utiliser les longueurs d'onde infrarouges difficiles à observer pour le capter.

Entrez dans la caméra relativiste. A une caméra se déplaçant à une vitesse proche de la lumière, une telle lumière décalée vers le rouge devient plus bleue, c'est-à-dire il est maintenant décalé vers le bleu. L'effet du mouvement de la caméra contrecarre l'effet de l'expansion de l'univers. Désormais, un astronome pouvait capter cette lumière à l'aide de la caméra à lumière visible familière. Le même effet d'amplification Doppler permet également d'amplifier la faible lumière de l'univers primitif, aide à la détection. L'observation des caractéristiques spectrales d'objets distants peut nous permettre de révéler l'histoire de l'univers primitif, surtout 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 pour la première fois les principes de la relativité restreinte en utilisant des mesures macroscopiques. En comparant les observations recueillies sur la caméra relativiste et celles recueillies au sol, les astronomes pourraient tester avec précision les prédictions fondamentales de la relativité d'Einstein concernant le changement de fréquence, flux et sens de déplacement de la lumière dans différents cadres de repos.

Par rapport aux objectifs ultimes du projet Starshot, observer l'univers à l'aide de caméras relativistes devrait être plus facile. Les astronomes n'auraient pas à se soucier de viser la caméra, car il pourrait obtenir des résultats intéressants lorsqu'il est envoyé dans n'importe quelle direction. Le problème de transmission de données est quelque peu atténué puisque les distances ne seraient pas aussi grandes. Idem avec la difficulté technique de protéger la caméra.

Nous proposons que l'essai de caméras relativistes pour les observations astronomiques pourrait être un précurseur du projet Starshot complet. Et l'humanité disposera d'un nouvel "observatoire" astronomique pour étudier l'univers d'une manière sans précédent. L'histoire suggère que l'ouverture d'une nouvelle fenêtre comme celle-ci dévoilera de nombreux trésors auparavant non détectés.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.