De lichtsnelheid is de limiet waarmee een materieel object in de ruimte kan bewegen, tenzij we natuurlijk rekening houden met hypothetische wormgaten, met behulp waarvan objecten volgens aannames nog sneller in de ruimte kunnen bewegen. In een ideaal vacuüm kan een lichtdeeltje, een foton, zich verplaatsen met een snelheid van 299.792 kilometer per seconde, oftewel ongeveer 1,079 miljard kilometer per uur. Op het eerste gezicht lijkt het misschien verrassend snel. Nee, het is eigenlijk snel. Maar op kosmische schaal kan deze snelheid tergend langzaam zijn, vooral als het gaat om radiocommunicatie en vluchten naar andere planeten, met name die buiten ons zonnestelsel.
Om het voor iedereen gemakkelijker te maken de beperkte mogelijkheden van de lichtsnelheid te begrijpen, heeft de planetaire wetenschapper van NASA's Goddard Space Flight Center, James O'Donoghue, een reeks geanimeerde video's gemaakt.
In een gesprek met Business Insider zei O'Donoghue dat hij pas onlangs heeft geleerd hoe hij deze animaties moet maken. Zijn eerste baan voor NASA was het voorbereiden van een video over de ringen van Saturnus. Daarna begon hij andere moeilijk te begrijpen ruimteconcepten te animeren, bijvoorbeeld een visuele vergelijking van de afmetingen en rotatiesnelheden van de planeten van het zonnestelsel. Volgens hem trok dit werk, gepubliceerd op zijn persoonlijke Twitter-pagina, veel belangstelling.
Zijn laatste werk is een poging om duidelijk aan te tonen hoe snel en tegelijkertijd langzaam fotonen kunnen zijn.
Visuele demonstratie van de beweging van fotonen rond de aarde
In de eerste animatie liet O'Donoghue zien hoe snel licht kan bewegen ten opzichte van de aarde.
Promotie video:
De evenaar van onze planeet is ongeveer 40 duizend kilometer lang. Als het geen atmosfeer zou hebben (de deeltjes die het bevat, kunnen het licht een beetje vertragen), dan zou een foton dat over het oppervlak glijdt bijna 7,5 volledige omwentelingen maken in 1 seconde (of 0,13 seconden per omwenteling).
Hoewel de lichtsnelheid in dit scenario ongelooflijk hoog lijkt, laat de video ook zien dat het eindig is.
Hoe snel reist het licht tussen de aarde en de maan
In de tweede video legt O'Donoghue een grotere afstand af - van de aarde tot de maan.
Gemiddeld is de afstand tussen onze planeet en zijn natuurlijke satelliet 384.000 kilometer. Dit betekent dat het maanlicht dat aan de hemel wordt waargenomen, deze afstand in 1,255 seconden aflegt, en de reis heen en weer, bijvoorbeeld bij het verzenden van radioberichten tussen de aarde en ruimtevaartuigen, duurt 2,51 seconden.
Opgemerkt moet worden dat deze tijd elke dag toeneemt, aangezien de maan elk jaar ongeveer 3,8 centimeter van de aarde af beweegt (de maan put constant de rotatie-energie van de aarde uit door zwaartekracht-getijdeninteractie. De gevolgen van dit effect zijn een verandering in de baan van de satelliet).
Hoe snel legt licht de afstand tussen de aarde en Mars af
In de derde video demonstreerde O'Donoghue een probleem waar veel planetaire wetenschappers dagelijks mee te maken hebben.
Wanneer medewerkers van het ruimtevaartagentschap van NASA gegevens proberen te downloaden en ontvangen van een ruimtevaartuig, bijvoorbeeld dezelfde InSight-sonde die momenteel op Mars actief is, worden berichten verzonden met de snelheid van het licht. Het is echter niet voldoende om het apparaat in "realtime" te bedienen. Daarom moeten de teams zorgvuldig worden doordacht, zo gecomprimeerd mogelijk en gericht op de exacte tijd en plaats om het doel niet te missen.
De snelste overdracht van berichten tussen de aarde en Mars is mogelijk op het moment dat de planeten zich op het punt van dichtstbijzijnde nadering bevinden. Dit gebeurt echter slechts ongeveer eens in de twee jaar. Bovendien zijn we zelfs in dit geval gescheiden door een afstand van ongeveer 54,6 miljoen kilometer. O'Donoghue's video laat zien dat op deze afstand het licht 3 minuten en 2 seconden nodig heeft om van de ene planeet naar de andere te komen, of 6 minuten in beide richtingen.
Gemiddeld zijn de aarde en Mars gescheiden door een afstand van 254 miljoen kilometer, dus gemiddeld duurt het verzenden van berichten in twee richtingen ongeveer 28 minuten en 12 seconden.
Hoe verder de afstand, hoe lager de "efficiëntie" van de lichtsnelheid wordt
De snelheidslimiet van licht zorgt voor nog meer problemen voor ruimtevaartuigen die verder van de aarde verwijderd zijn. Bijvoorbeeld dezelfde New Horizons-sonde, die nu 6,64 miljard kilometer van ons verwijderd is, of Voyager 1 en Voyager 2, die de rand van het zonnestelsel hebben bereikt.
Illustratie van de doorbraak Starshot ruimte "nanoprobe" die wordt versneld door een zeer krachtige laserstraal en gericht naar het Alpha Centauri sterrensysteem.
De situatie wordt behoorlijk triest als het gaat om het verzenden van een bericht naar een ander sterrenstelsel. De dichtstbijzijnde exoplaneet die we kennen, Proxima b, is bijvoorbeeld ongeveer 4,2 lichtjaar verwijderd (ongeveer 39,7 biljoen kilometer). Zelfs als we het snelste ruimtevaartuig van dit moment nemen, de Parker Solar Probe, waarmee snelheden van 343.000 kilometer per uur kunnen worden bereikt, dan zou het zelfs ongeveer 13.211 jaar duren om Proxima b te bereiken.
Nikolay Khizhnyak