Göreli bir uzay aracıyla iletişim kurmak oldukça tuhaflaşıyor

Bir gün, çok da uzak olmayan bir gelecekte, insanlar yakındaki yıldız sistemlerini araştırmak için robotik sondalar gönderebilirler. Bu robot kaşifler muhtemelen ışık hızının bir kısmı olan göreli hızlara ulaşmak için yönlendirilmiş enerjiye (lazerler) güvenecek olan ışık yelkenleri ve wafercraft (bir Breakthrough Starshot) biçimini alacaklar. Bu tür bir hızla, ışık yelkenleri ve wafercraft, yıldızlararası uzayda yüzyıllar (veya daha uzun süre) yerine on yıllar içinde yolculuk yapabilir. Zaman göz önüne alındığında, bu görevler astronotları içeren daha iddialı keşif programları için yol gösterici olarak hizmet edebilir.

Elbette, yıldızlararası yolculukla ilgili herhangi bir konuşmada bunun gerektirdiği büyük teknik zorluklar dikkate alınmalıdır. Yakın zamanda yayınlanan bir makalede arXiv önbaskı sunucusunda, mühendislerden ve astrofizikçilerden oluşan bir ekip, göreli uzay yolculuğunun iletişim üzerindeki etkilerini değerlendirdi. Elde ettikleri sonuçlar, görevin seyir aşamasında (uzay aracının ışık hızına yakın bir hızda hareket ettiği) iletişimin tek yönlü ve iki yönlü iletimlerde sorunlu hale geldiğini gösterdi. Bu, mürettebatlı görevler için önemli zorluklar yaratacak ancak robotik görevleri büyük ölçüde etkilemeyecek.

Ekip, Berkeley’deki California Üniversitesi’nde Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri alanında fahri profesör olan David Messerschmitt; Curtin Üniversitesi Uluslararası Radyo Astronomi Araştırmaları Merkezi’nde (ICRAR) Araştırma Görevlisi ve iletişim ve sinyal işleme geliştiricisi Astro Signal Pty Ltd’den Ian Morrison; Arizona Eyalet Üniversitesi Dünya ve Uzay Araştırmaları Okulu’nda araştırma bilimcisi olan Thomas Mozdzen; ve fizik profesörü ve UC Santa Barbara’daki Deneysel Kozmoloji Grubu başkanı Philip Lubin. Makalelerinin ön baskısı yakın zamanda çevrimiçi olarak yayınlandı ve yayınlanmak üzere Elsevier tarafından inceleniyor.

Ekip, çalışmaları için hem robotik (mürettebatsız) hem de mürettebatlı görev profillerini değerlendirdi. İlki, Starshot ve Yıldızlararası Keşif için Yönlendirilmiş Enerji İtkisi (DEEP-In) – diğer bir deyişle Starshot’a benzer kavramlardan oluşur. Yıldız ışığı — kavramlar. Bu ikinci konsept, Prof. Lubin ve UCSB Deneysel Kozmoloji Grubu’ndaki meslektaşlarının 2014’ten beri NASA Yenilikçi Gelişmiş Konseptler (NIAC) programı aracılığıyla geliştirmekte olduğu bir konsepttir. Ancak analizleri, Starlight ve Starshot konseptlerinin gerektirdiği %10 ila %20 yerine, uzay aracının ışık hızına yaklaştığı senaryoları dikkate aldığı için farklılık gösterdi.

Mürettebatsız görevler için, uzaktan kumanda operasyonları ve veri iletimi, belirli aşamalarda güvenilir iletişim gerektirir. Ancak mürettebatlı görevler için evle sürekli iletişimin sürdürülmesi, astronotların uzun vadeli refahı açısından çok önemlidir. Görev profili ne olursa olsun, iletişim her zaman elektromanyetik spektrumdaki iletimlere (radyo dalgaları, lazerler vb.) ve bunların uzayda nasıl yayıldığına bağlıdır. Ekibin Universe Today’e e-posta yoluyla söylediği gibi:

“Yaptığımız varsayım, iletişim sinyallerinin elektromanyetik olduğu, dolayısıyla fotonlar yoluyla taşındığı yönünde. Bu, bir iletişim sinyalinin yayılma hızıyla ilgilidir ve bu da yayılma gecikmesiyle ilgilidir. Zamanlama/gecikme ilişkileri dalga boyundan bağımsızdır ve dolayısıyla geçerlidir. radyo, mikrodalga veya optikle eşit derecede.”

Bir diğer önemli husus, göreceli hızlardaki iletişimin Özel Göreliliğin etkilerini hesaba katması gerektiğidir. Kısacası, ışık hızının önemli bir kısmıyla seyahat eden bir uzay aracı, zaman genişlemesi yaşayacak ve iç saatleri, Dünya’daki görev saatlerinden daha yavaş ilerleyecektir. Göz önünde bulundurulması gereken bir diğer husus, göreve gidiş-dönüş iletişimin Doppler Kaymasına tabi olacağıdır. Özel Göreliliğin bize öğrettiği gibi, ışığın hızı boşlukta sabittir ve gözlemcinin veya kaynağın hareketine bağlı olarak hızlanmaz veya yavaşlamaz.

Ancak nesneler arasındaki boşluk genişliyorsa, ışığın dalga boyu spektrumun kırmızı ucuna doğru kayacaktır (diğer adıyla kırmızıya kayma). Analizleri, iletişimin yalnızca iniş aşamasında gerekli olması nedeniyle robotik görevler için durumun daha basit olacağını buldu. Bununla birlikte, mürettebatlı görevler için, seyir aşaması (uzay aracının göreceli hıza hızlandırılacağı zaman) dahil olmak üzere, görevin tüm aşamaları için sürekli iletişim arzu edilir. Bu durumda ekip, sorunların ortaya çıktığını söyledi:

“Göz önünde bulundurulan ana etkiler, yüksek hızda hareket eden saatlerin zaman genişlemesi ile birlikte büyük yayılma gecikmeleridir. Analiz, (bir astronomi gözlemevinde olduğu gibi) eylemsiz bir gözlemci yerine göreli hızdaki bir gezginin bakış açısından yapılmıştır. Bizim bilgimiz, literatürde daha önce dikkate alınmamıştır.Sonuçlar, gidiş-dönüş mesaj gecikmelerinin son derece yüksek olabileceğini, medya akış hızlarının önemli ölçüde yavaşlayabildiğini ve belirli koşullar altında iletişimin imkansız hale geldiğini göstermektedir.Göreli uzay aracı ve astronotları, büyük ölçüde özerk bir şekilde işliyor.”

Bu sonuçların yıldızlararası görevlerin fizibilitesine ciddi etkileri vardır. Görevin belirli dönemlerinde Dünya ile temasın sürdürülememesi, bilgi aktarmanın zorluğu ve özerklik ihtiyacı önemli zorlukları beraberinde getiriyor. Bu koşullar altında gelecek nesiller, yıldızlararası görevleri robotik kaşiflerle sınırlamayı seçebilir. Alternatif olarak, seyir aşamasında herhangi bir iletişime ihtiyaç duyulmaması için mürettebatı kış uykusuna veya kriyojenik askıya almayı tercih edebilirler.

Ancak ekibin belirttiği gibi, analizleri göreceli bir misyonla iletişimi sürdürmenin zorluklarını ölçmeye dayanıyor. Yıldızlararası keşif için herhangi bir planlama girişiminde bulunulmadan önce bu kesinlikle gereklidir. Buna ek olarak, şu an ile insanların yıldızlararası misyonlarının düşünüldüğü gün arasında, tabloyu değiştirebilecek birçok yenilik ve değişikliğin olması muhtemeldir. Özetledikleri gibi:

“[T]Astronotların yer aldığı gelecekteki herhangi bir yıldızlararası misyonun tasarımı, özellikle daha uzak mesafelerde, büyük mesafelerin ve uzay aracının ışık hızına yakın hızlarının dayattığı iletişim sınırlamalarından önemli ölçüde etkilenecektir. Analitik yaklaşım genel olsa da sayısal sonuçlar, insanların ışık hızına yakın bir hızda seyahat ettiği varsayımsal gelecek görevlere uygulanır. Bu tür hızlar mevcut tahrik teknolojileriyle mümkün olmasa da bu durum değişebilir. Bu hızlar, insanın en yakın yıldızlara yolculuğu için gerekli olmayabilir, ancak tipik bir insan ömrü içinde çok daha uzak mesafelere seyahat etmeyi mümkün kılabilir.”