Med laser mot mörkret – så kan mikrosatelliter nå ett svart hål inom hundra år

Forskningen om universums mest gåtfulla objekt har länge varit hänvisad till avlägsna observationer och teoretiska ekvationer. Men nu skissar fysikern Cosimo Bambi vid Fudan University, i en studie publicerad i vetenskapstidskriften iScience, på en konkret plan för hur mänskligheten faktiskt skulle kunna skicka fysiska sonder till ett svart hål inom det närmaste seklet.

Konceptet låter som science fiction, men grundar sig helt på fysikaliska lagar. Idén bygger på att utnyttja extremt lätta farkoster på bara något gram, utrustade med tunna, reflekterande segel som drivs framåt av strålningstryck.

• Snabb acceleration: Lasern behöver bara skjuta mot seglet under ungefär 1 000 sekunder (drygt 17 minuter). Under den korta tiden hinner sonden färdas 50 miljarder meter.
• Hissnande hastighet: Efter accelerationen rör sig sonden med en tredjedel av ljusets hastighet.
• Tidsram: Om ett svart hål döljer sig 20 till 25 ljusår bort, tar resan dit mellan 60 och 75 år. Signalerna med mätdata tar sedan ytterligare 20 till 25 år att färdas tillbaka till jorden.

Liknande laserseglingsteknik har tidigare studerats inom projektet Breakthrough Starshot för resor till Alpha Centauri, men att navigera till och utforska ett svart hål ställer ännu högre krav på teknologin.

Den ena sonden kan stanna på säkert avstånd medan den andra styr in mot det svarta hålet. Genom att mäta den elektromagnetiska signalen mellan de två enheterna kan fysiker studera rörelser och gravitationsrödförskjutning med en helt ny precision. Detta gör det möjligt att testa Einsteins allmänna relativitetsteori – närmare bestämt den så kallade Kerr-beskrivningen av rumtiden. Det ger en betydligt renare mätmiljö än jordbaserade teleskop, som måste tolka ljus som passerar genom turbulenta gasmoln och materia runt svarta hål.

Experimentet skulle även kunna ge svar på om det svarta hålet har en verklig händelsehorisont eller om det rör sig om mer exotiska strukturer utan horisont, som de "fuzzballs" som beskrivs inom strängteorin. Dessutom hoppas man kunna undersöka om grundläggande naturkonstanter, som finstrukturkonstanten, ändras i extremt starka gravitationsfält.

Bambis beräkningar bygger istället på statistiska uppskattningar som visar att det mycket väl kan gömma sig ett ännu oupptäckt svart hål på bara 20 till 25 ljusårs avstånd från jorden. Eftersom över 90 procent av alla svarta hål i galaxskivan beräknas färdas ensamma genom rymden avger de inget eget ljus. Astronomer hoppas dock kunna lokalisera ett sådant dolt objekt med hjälp av metoder som gravitationell mikrolinsning eller svaga gravitationsvågor.

Förutom att hitta målet krävs stora tekniska framsteg. Lasersystemet som krävs för framdriften beräknas med dagens teknik kosta omkring en biljon euro, även om fallande laserpriser på sikt kan sänka kostnaden avsevärt. Dessutom måste de minimala sondernas elektronik klara decennier av tuffa förhållanden i rymden och kunna navigera helt självständigt vid ankomsten.