Достижение другой звезды в практически приемлемые сроки потребует чего-то гораздо более мощного, чем химические ракеты. Одна из ведущих идей — солнечный парус: большая отражающая структура, которую может толкать свет. Если нацелить на такой парус чрезвычайно мощные лазеры, они смогут разогнать его до скоростей, значительно превышающих возможности современных двигательных систем.

Но может возникнуть неожиданная проблема, когда световой парус начнёт двигаться со значительной долей скорости света. Согласно новой статье на arXiv, написанной Чао Шеном и Цзяцзе Ли из Харбинского технологического института, тот самый свет, который толкает парус, в конечном итоге может создать эффект торможения.

Исследователи разделяют силы, создаваемые фотонами, ударяющими по солнечному парусу, на три категории. Самый сильный вклад даёт падающий свет (та самая грубая сила импульса фотонов, ударяющих по парусу). Далее идёт зеркальное отражение (импульс, передаваемый, когда фотоны идеально отражаются от паруса). Самый слабый вклад даёт диффузное рассеяние (импульс от фотонов, поглощаемых парусом, а затем испускаемых в случайных направлениях).

При относительно низких скоростях все эти эффекты способствуют толканию паруса вперёд. Ситуация становится гораздо более сложной, когда космический аппарат достигает релятивистских скоростей. Когда парус мчится прочь от источника лазера, свет, достигающий его, испытывает всё более сильный доплеровский сдвиг. Частота падающего света уменьшается, снижая величину тяги, создаваемой всеми тремя компонентами. В результате дальнейшее ускорение становится всё менее эффективным. Чем быстрее движется парус, тем труднее лазеру продолжать увеличивать его скорость.

Ситуация меняется ещё более драматично, когда световой парус достигает примерно 75% скорости света. При такой скорости релятивистская аберрация света становится важной. С точки зрения неподвижного наблюдателя на Земле, диффузно рассеянный свет начинает направляться вперёд, в сторону движения паруса. Поскольку каждое действие вызывает равное и противоположное противодействие, это излучение, направленное вперёд, создаёт силу в противоположном направлении. Это означает, что диффузное рассеяние (признаться, самое слабое из трёх сил) начинает действовать как торможение, когда парус проходит примерно 75% скорости света. Лазер всё ещё толкает парус вперёд в целом, так что суммарная сила не становится отрицательной. Однако эффективность двигательной системы существенно падает.

Реальные солнечные паруса столкнулись бы с ещё большими проблемами. Исследование сосредоточено конкретно на радиационной динамике; оно не включает нерадиационные эффекты, такие как столкновения и сопротивление межзвёздного газа или пыли. Оно также не учитывает тепловые ограничения реальных материалов паруса. Парус, подвергающийся воздействию чрезвычайно мощного лазера, может перегреться или даже расплавиться. Для простоты исследователи моделируют световой парус как идеализированное зеркало. Реальные космические аппараты, вероятно, использовали бы гораздо более сложные материалы.

Инженеры уже исследуют передовые метаматериалы и фотонные кристаллы, предназначенные для конкретных длин волн лазера. В принципе, эти материалы могли бы даже использовать описанные в исследовании эффекты аберрации. Они могли бы помочь световому парусу автоматически корректировать свою ориентацию и стабилизировать траекторию, чтобы он оставался в центре лазерного луча.

Полностью действующий межзвёздный солнечный парус всё ещё далёк от реальности. Путешествие через межзвёздные расстояния вносит множество дополнительных сложностей, включая искривление пространства-времени, которое в статье также упрощено. Тем не менее, понимание этих эффектов на высоких скоростях является важной частью определения того, как такие космические аппараты могут в конечном итоге работать. Если человечество когда-нибудь отправит зонд к другой звезде, инженерам понадобится детальное понимание каждой силы, которая может повлиять на его путешествие.