Atteindre une autre étoile dans un délai raisonnable nécessitera quelque chose de bien plus performant que les fusées chimiques. L'une des idées les plus prometteuses est la voile solaire – une grande structure réfléchissante qui peut être poussée par la lumière. Si des lasers extrêmement puissants sont pointés sur une telle voile, ils pourraient l'accélérer à des vitesses bien supérieures à celles que les systèmes de propulsion actuels peuvent atteindre.

Mais il pourrait y avoir un problème inattendu lorsqu'une voile lumineuse commence à voyager à une fraction significative de la vitesse de la lumière. Selon un nouvel article publié sur arXiv par Chao Shen et Jiaze Li de l'Institut de technologie de Harbin, la même lumière utilisée pour propulser la voile pourrait éventuellement produire un effet de traînée.

Les chercheurs séparent les forces produites par les photons frappant une voile solaire en trois catégories. La contribution la plus forte provient de la lumière incidente (cet élan brut des photons frappant la voile). Ensuite vient la réflexion spéculaire (l'élan transmis lorsque les photons rebondissent parfaitement sur la voile). La contribution la plus faible provient de la diffusion diffuse (l'élan des photons absorbés par la voile puis réémis dans des directions aléatoires).

À des vitesses relativement faibles, ces effets contribuent tous à pousser la voile vers l'avant. La situation devient beaucoup plus compliquée une fois que le vaisseau atteint des vitesses relativistes. Alors que la voile s'éloigne de la source laser, la lumière qui l'atteint subit un décalage Doppler de plus en plus fort. La fréquence de la lumière entrante diminue, réduisant la poussée produite par les trois composantes. En conséquence, l'accélération continue devient progressivement moins efficace. Plus la voile voyage vite, plus il devient difficile pour le laser de continuer à augmenter sa vitesse.

La situation change encore plus dramatiquement une fois que la voile lumineuse atteint environ 75 % de la vitesse de la lumière. À cette vitesse, l'aberration relativiste de la lumière devient importante. Du point de vue d'un observateur stationnaire sur Terre, la lumière diffusée commence à être dirigée vers l'avant, dans la direction où la voile se déplace. Parce que chaque action a une réaction égale et opposée, ce rayonnement dirigé vers l'avant produit une force dans la direction opposée. Cela signifie que la diffusion diffuse (certes la plus faible des trois forces) commence à agir comme une traînée une fois que la voile dépasse environ 75 % de la vitesse de la lumière. Le laser pousse toujours la voile vers l'avant globalement, donc la force totale ne devient pas négative. Cependant, l'efficacité du système de propulsion diminue considérablement.

Les voiles solaires réelles feraient face à encore plus de défis. L'étude se concentre spécifiquement sur la dynamique radiative ; elle n'inclut pas les effets non radiatifs tels que les collisions et la traînée du gaz ou de la poussière interstellaires. Elle laisse également de côté les limites thermiques des matériaux réels de voile. Une voile exposée à un laser extrêmement puissant pourrait potentiellement surchauffer ou même fondre. Pour simplifier, les chercheurs modélisent la voile lumineuse comme un miroir idéalisé. Les vaisseaux réels utiliseraient probablement des matériaux beaucoup plus sophistiqués.

Les ingénieurs étudient déjà des métamatériaux avancés et des cristaux photoniques conçus pour des longueurs d'onde laser spécifiques. En principe, ces matériaux pourraient même tirer parti des effets d'aberration décrits dans l'étude. Ils pourraient aider une voile lumineuse à corriger automatiquement son orientation et à stabiliser sa trajectoire afin qu'elle reste centrée dans le faisceau laser.

Une voile solaire interstellaire pleinement opérationnelle est encore loin de devenir une réalité. Voyager à travers les distances interstellaires introduit de nombreuses complications supplémentaires, y compris la courbure de l'espace-temps, que l'article simplifie également. Même ainsi, comprendre ces effets à haute vitesse est une partie importante pour déterminer comment de tels vaisseaux pourraient éventuellement fonctionner. Si l'humanité envoie un jour une sonde vers une autre étoile, les ingénieurs auront besoin d'une compréhension détaillée de chaque force qui pourrait affecter son voyage.