Wie können wir ohne die Magie des Dreikörperproblems etwas ins Universum „übertragen“? Dieser magische Ring ist der Schlüssel!

Dieses Jahr wurde der Science-Fiction-Roman „Die drei Sonnen“ endlich als Fernsehserie adaptiert und bescherte den Fans des Romans jede Menge Spaß. In „Die drei Sonnen“ gibt es eine Handlung: Ye Wenjie nutzte die Sonne, um das von der Red Coast Base gesendete Signal zu verstärken, sodass es von den Trisolaranern empfangen werden konnte. In der realen Welt verfügen Wissenschaftler noch nicht über Ye Wenjies Magie und können die Sonne nicht nutzen, um Signale von der Erde ins gesamte Universum zu senden.

Gibt es keine andere Lösung? haben. Es gibt eine Möglichkeit, die Sonne zu nutzen, um die Signale, die wir senden und empfangen, gerichtet zu verstärken. Diese Geschichte beginnt mit der Beobachtung einer berühmten Sonnenfinsternis vor über hundert Jahren.

1. Lenkt die Schwerkraft das Licht ab? Diese Beobachtung der totalen Sonnenfinsternis im Jahr 1919 hat es bestätigt!

Im Jahr 1916 veröffentlichte Einstein die allgemeine Relativitätstheorie, die Newtons Beschreibung der Schwerkraft auf den Kopf stellte, die traditionellen Konzepte von Raum und Zeit aufhob und so einen völlig neuen Rahmen für die Physik schuf.

In der allgemeinen Relativitätstheorie gilt: Die Schwerkraft verursacht die Krümmung der Raumzeit, daher wird sich auch Licht unter dem Einfluss der Schwerkraft krümmen .

Einstein berechnete, dass die Schwerkraft der Sonne das Licht nur um 1,75 Bogensekunden ablenkt.

Bald erkannte der britische Astronom Dyson, dass die totale Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 eine hervorragende Gelegenheit bieten würde, die durch die Schwerkraft der Sonne verursachte Lichtablenkung zu messen und so Einsteins Vorhersage zu testen .

Während dieser totalen Sonnenfinsternis befand sich die Sonne vor dem hellen Hyaden-Sternhaufen (ein Sternhaufen ist eine durch die Schwerkraft gebildete Gruppe von Sternen). Zum Zeitpunkt der Sonnenfinsternis (als die Sonne vollständig bedeckt war) konnten viele helle Sterne in diesem Haufen beobachtet werden. Auf diese Weise können wir durch den Vergleich der Positionen der Sterne zum Zeitpunkt der größten Sonnenfinsternis mit den Positionen, wenn sich die Sonne nicht in diesem Bereich befindet, feststellen, ob das Licht durch die Schwerkraft der Sonne gebogen wird und wie groß der Ablenkungswinkel ist.

In einem Sternhaufen gibt es viele Sterne und je mehr Sternpositionen gemessen werden, desto geringer kann der Fehler sein. Anschließend entwickelten sie einen detaillierten Beobachtungsplan:

Dyson blieb als Gesamtdirektor in England.

Eddington und führte ein Team nach Principe in Westafrika. Ihr Team hatte Pech mit bewölktem Wetter, aber es gelang ihnen trotzdem, 16 Filme aufzunehmen.

Crommelin führte ein weiteres Team nach Sobral im Norden Brasiliens. Die Wetterbedingungen in Brasilien waren damals besser, aber mit ihrer Ausrüstung stimmte etwas nicht und viele der Negative, die sie machten, waren nicht sehr klar. Glücklicherweise verwendeten sie gleichzeitig ein Backup-Gerät zur Beobachtung und stellten schließlich fest, dass die Beobachtungsergebnisse des Backup-Geräts kritischer waren (Abbildung 1). Im November desselben Jahres gaben die Royal Society und die Royal Astronomical Society auf einer Sondertagung in London gemeinsam ihre Messergebnisse bekannt. Diese lagen sehr nahe an Einsteins Vorhersagen, bestätigten die allgemeine Relativitätstheorie und sorgten in der Folge für Schlagzeilen auf der ganzen Welt (Abbildung 1).

Abbildung 1 (oben): Nachrichten über die Ergebnisse der Beobachtung der totalen Sonnenfinsternis in den Illustrated London News vom 22. November 1919. Unten: Eine Rekonstruktion eines Negativs, das 100 Jahre später von der Europäischen Südsternwarte in Sobral, Brasilien, aufgenommen wurde; Gelbe Kreise markieren nahe Sterne. (Quelle: https://cseligman.com/text/sky/eddington.einstein.htm)

2. Einsteinring : Das Phänomen, das durch die Ablenkung von Licht durch die Schwerkraft verursacht wird

Die Schwerkraft krümmt das Licht, was dem Platzieren einer Linse vor einer Lichtquelle ähnelt. Daher wird dieser Effekt auch als „Gravitationslinseneffekt“ bezeichnet.

Wenn ein weit entfernter Himmelskörper, ein Linsenobjekt (ein Himmelskörper mit sehr großer Masse) und die Erde genau auf einer geraden Linie stehen und die Abstände zwischen den dreien genau richtig sind, sodass das auf der Erde beobachtete „gebrochene“ Licht zusammenläuft, entsteht als Bild ein Ring, der als „ Einstein-Ring “ bezeichnet wird .

Bei astronomischen Beobachtungen haben wir tatsächlich viele Einsteinringe gesehen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die helle gelbe Galaxie in der Mitte ist das Linsenobjekt, und die umgebenden blauen Ringe sind die weiter entfernten Galaxien, die „gebrochen“ wurden. Ein Linsenobjekt wirkt wie eine optische Linse und vergrößert die Helligkeit und Größe weit entfernter Objekte. Tatsächlich handelt es sich hierbei jedoch lediglich um ein Phänomen der Lichtablenkung aufgrund von Gravitationseffekten.

Abbildung 2: Einsteinringe, die durch den Gravitationslinseneffekt verschiedener Galaxien entstehen und vom Hubble-Teleskop fotografiert wurden. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/ESA/A. Bolton/SLACS-Team)

3. Das Signal verstärken ? Um das Teleskop in einer Entfernung von 550 AE von der Sonne zu platzieren →

Die Sonne ist das uns am nächsten gelegene massereiche Objekt und macht mehr als 99,8 % der Masse des Sonnensystems aus. Beobachtungen von vor über 100 Jahren haben bestätigt, dass die Sonne Licht brechen kann und das abgelenkte Licht an einem anderen Punkt zusammenlaufen kann, wo es viel mehr Licht empfängt als zuvor.

Daher können wir die Sonne als Linsenobjekt verwenden, um die Signale von weit entfernten Objekten hinter der Sonne zu verstärken.

Auch die Schwerkraft der Sonne kann Einsteinringe erzeugen. Wie können wir sie beobachten? (Denken Sie an die oben genannten Bedingungen zur Beobachtung von Einsteinringen.)

1. Der entfernte Himmelskörper hinter der Sonne, die Sonne ( Linse Himmelskörper ), und das Teleskop sollten in einer geraden Linie sein ;

2. Je weiter das Teleskop von der Sonne entfernt ist , desto größer ist der Durchmesser des beobachteten Einsteinrings . Nur wenn der Einsteinring größer ist als der Durchmesser der Sonne, kann er von uns beobachtet werden.

Wie können wir also den Einsteinring größer machen als den Durchmesser der Sonne? Dabei kommt es auf einen entscheidenden Parameter an: den Mindestabstand zwischen Teleskop und Sonne. Einsteinringe können an Orten beobachtet werden, die weiter als dieser Mindestabstand auf der Linie liegen, die den entfernten Himmelskörper, die Sonne und das Teleskop verbindet (siehe Abbildung 3).

Berechnungen zufolge beträgt der Mindestabstand des Teleskops von der Sonne etwa 550 Astronomische Einheiten (eine Astronomische Einheit ist die Entfernung von der Erde zur Sonne), was dem 14-fachen Abstand zwischen Pluto und der Sonne entspricht. Die derzeit am weitesten von Menschen geflogenen Sonden sind Voyager 1 und 2, die seit mehr als 40 Jahren im Einsatz sind und erst etwa 150 astronomische Einheiten zurückgelegt haben.

Abbildung 3 Schematische Darstellung des Einsteinrings, der durch den solaren Gravitationslinseneffekt entsteht. Das orangefarbene Quadrat stellt die Mindestentfernung dar, in der Einsteinringe sichtbar sind, etwa 550 AE von der Sonne. Die orange gepunktete Linie stellt die Brennlinie der Gravitationslinse dar, und entlang dieser Linie sind Einsteinringe zu sehen (Quelle: vom Autor erstellt)

Die Fläche des hierbei beobachteten Einsteinrings und die Wellenlänge des Signals bestimmen, wie stark das Signal verstärkt werden kann. Die Fläche des Einsteinrings hängt von seinem Durchmesser und seiner Breite ab, und seine Breite ist die Öffnung des Teleskops.

Daher gilt: Je größer die Öffnung des Teleskops und je weiter es entfernt ist, desto stärker wird das Signal verstärkt . Wenn beispielsweise ein 1-Meter-Teleskop in einer Entfernung von 600 astronomischen Einheiten platziert wird, kann der beobachtete Einstein-Ring das Infrarotsignal um das Milliardenfache verstärken!

Ersetzt man dieses Teleskop durch einen Signalsender und sendet Signale Richtung Sonne, dann lassen sich die durch die Schwerkraft der Sonne erzeugten Einsteinringe auch auf einer Geraden in Gegenrichtung in einer Entfernung von über 550 Astronomischen Einheiten beobachten, was das Signal entsprechend um das Milliardenfache verstärken kann. Allerdings ist der Abdeckungsbereich des verstärkten Signals sehr klein – weniger als eine Quadratbogensekunde, wie bei einem extrem schmalen Lichtstrahl. Nur das Teleskop innerhalb dieses Strahls kann das verstärkte Signal erkennen.

Wenn wir also die Sonne nutzen wollen, um die an die Trisolaraner gesendeten Signale zu verstärken oder die Signale der Trisolaraner zu überwachen, müssen wir einen Sender oder ein Teleskop auf der Linie platzieren, die Alpha Centauri (den Prototyp des Heimatplaneten der Trisolaraner) und die Sonne verbindet , 550 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt. Dadurch kann die zum Senden von Signalen oder zum Überwachen schwächerer Signale benötigte Energie erheblich eingespart werden.

Natürlich haben wir auf den Planeten Alpha Centauri bisher keine Anzeichen von Leben gefunden, geschweige denn von außerirdischen Zivilisationen.

4. Machen Sie weiter mit dem Traum vom interstellaren Internet!

Die Platzierung eines Senders oder Teleskops in einer so großen Entfernung ist für die aktuelle Luft- und Raumfahrttechnologie tatsächlich eine große Herausforderung. Dies hindert Wissenschaftler jedoch nicht daran, konzeptionelle Forschung zu betreiben.

Bereits 1979 schlug der Astronom Eshleman vor, dass der Gravitationslinseneffekt der Sonne für die interstellare Kommunikation genutzt werden könnte.

Im Jahr 1993 schlug der italienische Astronom Maccone der Europäischen Weltraumorganisation ein Konzeptprojekt namens „FOCAL“ vor, bei dem es darum ging, ein Raumschiff auf 550 astronomische Einheiten zu bringen, um mithilfe des Gravitationslinseneffekts der Sonne die Kommunikation außerirdischer Zivilisationen zu überwachen. Anschließend verfasste er zahlreiche Aufsätze und eine Monographie, um dieses Projekt zu diskutieren und zu verbessern.

Im Jahr 1999 beschrieb West vom Jet Propulsion Laboratory in einem Artikel detailliert eine von der NASA finanzierte Konzeptstudie mit dem Titel „Solar Gravitational Telescope“, um die Möglichkeit zu untersuchen, den Gravitationslinseneffekt der Sonne für astronomische Beobachtungen zu nutzen.

In den letzten Jahren hat das Innovative Advanced Concepts-Programm (NIAC) der NASA kontinuierlich ein Projekt finanziert, bei dem die solare Gravitationslinse zur Abbildung von Exoplaneten eingesetzt wird.

Wir können nicht nur die Sonne, sondern auch andere Sterne als Gravitationslinsen verwenden, um das Signal zu verstärken .

In der Zukunft werden wir Menschen Sonden ausschicken, um die Planeten von Alpha Centauri zu besuchen. Die Daten der Sonden können von ihren Sternen verstärkt und zurück ins Sonnensystem gesendet und dann nach der Verstärkung durch die Sonne empfangen werden.

In fernerer Zukunft, wenn wir interstellare Reisen realisieren und das weite Universum erforschen, können wir Informationsübertragungsknoten auf der Brennlinie der Gravitationslinse des Sterns errichten und die Sterne nutzen, um ein Kommunikationsnetzwerk über Galaxien hinweg aufzubauen, genau wie das interstellare Internet!

Quellen:

1. https://arxiv.org/pdf/1912.05587.pdf

2. https://arxiv.org/pdf/1706.05570.pdf

3. https://arxiv.org/pdf/2009.01866.pdf

Autor : Yan Zhen, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Planung: Zhai Guoqing

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.