実用的な時間枠で別の恒星に到達するには、化学ロケットよりもはるかに優れた何かが必要となる。有力なアイデアの一つがソーラーセイルだ。これは、光によって押される大きな反射構造である。極めて強力なレーザーをそのようなセイルに照射すれば、現在の推進システムで達成できる速度をはるかに超える速度まで加速できる可能性がある。

しかし、ライトセイルが光速のかなりの割合で移動し始めると、予期せぬ問題が発生するかもしれない。ハルビン工業大学のChao Shen氏とJiaze Li氏によるarXivの新しい論文によると、セイルを推進するために使われる同じ光が、最終的には抗力効果を生み出す可能性がある。

研究者らは、ソーラーセイルに衝突する光子によって生じる力を3つのカテゴリに分類している。最も強い寄与は入射光（セイルに衝突する光子の運動量）から来る。次に鏡面反射（光子がセイルから完全に反射するときに与えられる運動量）である。最も弱い寄与は拡散散乱（セイルに吸収された後、ランダムな方向に再放出される光子からの運動量）から来る。

比較的低速では、これらの効果はすべてセイルを前方に押すことに寄与する。宇宙船が相対論的速度に達すると、状況ははるかに複雑になる。セイルがレーザー源から遠ざかるにつれて、セイルに到達する光はますます強いドップラーシフトを受ける。入射光の周波数が低下し、3つの要素すべてによって生成される推力が減少する。その結果、継続的な加速は次第に非効率になる。セイルの速度が速いほど、レーザーがその速度を増加させ続けることが難しくなる。

ライトセイルが光速の約75%に達すると、状況はさらに劇的に変化する。その速度では、相対論的光行差が重要になる。地球上の静止した観測者の視点から見ると、拡散散乱された光は前方、つまりセイルが移動している方向に向かって放出され始める。すべての作用には等しく反対の反作用があるため、その前方への放射は反対方向の力を生み出す。つまり、拡散散乱（確かに3つの力の中で最も弱い）は、セイルが光速の約75%を超えると抗力として働き始める。レーザーは依然としてセイルを全体的に前方に押しているため、総力が負になることはない。しかし、推進システムの効率は大幅に低下する。

実際のソーラーセイルは、さらに多くの課題に直面するだろう。この研究は放射力学に焦点を当てており、星間ガスや塵との衝突や抗力などの非放射効果は含まれていない。また、実際のセイル材料の熱的限界も無視している。極めて強力なレーザーにさらされたセイルは、過熱したり、溶けたりする可能性がある。簡単のため、研究者らはライトセイルを理想化された鏡としてモデル化している。実際の宇宙船は、はるかに洗練された材料を使用する可能性が高い。

エンジニアはすでに、特定のレーザー波長向けに設計された高度なメタマテリアルやフォトニック結晶を調査している。原理的には、これらの材料は研究で説明されている光行差効果を利用できるかもしれない。それらは、ライトセイルがその向きを自動的に修正し、レーザービームの中心に留まるように軌道を安定させるのに役立つ可能性がある。

完全に機能する恒星間ソーラーセイルは、まだ現実にはほど遠い。星間距離を横断することは、時空の曲率を含む多くの追加の複雑さをもたらし、論文もそれを単純化している。それでも、これらの高速効果を理解することは、そのような宇宙船が最終的にどのように機能するかを決定する上で重要な部分である。人類がいつか別の恒星に探査機を送るなら、エンジニアはその旅に影響を与える可能性のあるすべての力を詳細に理解する必要がある。