Dotarcie do innej gwiazdy w praktycznym czasie będzie wymagało czegoś znacznie bardziej zaawansowanego niż chemiczne rakiety. Jednym z wiodących pomysłów jest żagiel słoneczny – duża, odblaskowa struktura, którą może pchać światło. Jeśli w taki żagiel wyceluje się niezwykle potężne lasery, mogą one rozpędzić go do prędkości znacznie przekraczających możliwości obecnych systemów napędowych.

Ale może pojawić się nieoczekiwany problem, gdy żagiel świetlny zacznie podróżować ze znaczną częścią prędkości światła. Według nowego artykułu na arXiv autorstwa Chao Shena i Jiaze Li z Harbin Institute of Technology, to samo światło użyte do napędzania żagla może ostatecznie wywołać efekt oporu.

Naukowcy dzielą siły wytwarzane przez fotony uderzające w żagiel słoneczny na trzy kategorie. Najsilniejszy wkład pochodzi od światła padającego (surowy pęd fotonów uderzających w żagiel). Następne jest odbicie zwierciadlane (pęd nadawany, gdy fotony odbijają się idealnie od żagla). Najsłabszy wkład pochodzi od rozpraszania dyfuzyjnego (pęd od fotonów, które są pochłaniane przez żagiel, a następnie ponownie emitowane w losowych kierunkach).

Przy stosunkowo niskich prędkościach efekty te przyczyniają się do pchania żagla do przodu. Sytuacja staje się znacznie bardziej skomplikowana, gdy statek kosmiczny osiągnie prędkości relatywistyczne. Gdy żagiel oddala się od źródła lasera, docierające do niego światło ulega coraz silniejszemu przesunięciu Dopplera. Częstotliwość padającego światła maleje, zmniejszając ciąg wytwarzany przez wszystkie trzy składowe. W rezultacie dalsze przyspieszanie staje się coraz mniej efektywne. Im szybciej porusza się żagiel, tym trudniej laserowi zwiększać jego prędkość.

Sytuacja zmienia się jeszcze bardziej dramatycznie, gdy żagiel świetlny osiągnie około 75% prędkości światła. Przy tej prędkości istotna staje się relatywistyczna aberracja światła. Z punktu widzenia nieruchomego obserwatora na Ziemi, światło rozproszone dyfuzyjnie zaczyna być kierowane do przodu, w kierunku ruchu żagla. Ponieważ każda akcja wywołuje równą i przeciwną reakcję, to promieniowanie skierowane do przodu wytwarza siłę w przeciwnym kierunku. Oznacza to, że rozpraszanie dyfuzyjne (co prawda najsłabsza z trzech sił) zaczyna działać jako opór, gdy żagiel przekroczy około 75% prędkości światła. Laser nadal pcha żagiel do przodu, więc całkowita siła nie staje się ujemna. Jednak wydajność układu napędowego znacznie spada.

Prawdziwe żagle słoneczne napotkałyby jeszcze więcej wyzwań. Badanie koncentruje się wyłącznie na dynamice radiacyjnej; nie obejmuje efektów nieradiacyjnych, takich jak kolizje i opór ze strony międzygwiezdnego gazu czy pyłu. Pomija również ograniczenia termiczne rzeczywistych materiałów żagla. Żagiel wystawiony na działanie niezwykle potężnego lasera mógłby się przegrzać, a nawet stopić. Dla uproszczenia naukowcy modelują żagiel świetlny jako idealne lustro. Prawdziwe statki kosmiczne prawdopodobnie używałyby znacznie bardziej wyrafinowanych materiałów.

Inżynierowie już badają zaawansowane metamateriały i kryształy fotoniczne zaprojektowane pod konkretne długości fal lasera. W zasadzie materiały te mogłyby nawet wykorzystać efekty aberracji opisane w badaniu. Mogłyby pomóc żaglowi świetlnemu automatycznie korygować swoją orientację i stabilizować trajektorię, tak aby pozostawał wyśrodkowany w wiązce lasera.

W pełni operacyjny międzygwiezdny żagiel słoneczny jest wciąż daleki od rzeczywistości. Podróżowanie przez międzygwiezdne odległości wprowadza wiele dodatkowych komplikacji, w tym krzywiznę czasoprzestrzeni, którą artykuł również upraszcza. Mimo to zrozumienie tych efektów przy dużych prędkościach jest ważną częścią określenia, jak takie statki mogłyby ostatecznie działać. Jeśli ludzkość kiedyś wyśle sondę do innej gwiazdy, inżynierowie będą potrzebować szczegółowego zrozumienia każdej siły, która mogłaby wpłynąć na jej podróż.