Att nå en annan stjärna inom en praktisk tidsram kommer att kräva något långt mer kapabelt än kemiska raketer. En av de ledande idéerna är ett solsegel – en stor reflekterande struktur som kan tryckas av ljus. Om extremt kraftfulla lasrar riktas mot ett sådant segel skulle de kunna accelerera det till hastigheter långt bortom vad nuvarande framdrivningssystem kan uppnå.

Men det kan finnas ett oväntat problem när ett ljussegel börjar färdas i en betydande bråkdel av ljushastigheten. Enligt en ny artikel på arXiv av Chao Shen och Jiaze Li vid Harbin Institute of Technology kan samma ljus som används för att driva seglet så småningom producera en dragkraft.

Forskarna delar in krafterna som produceras av fotoner som träffar ett solsegel i tre kategorier. Det starkaste bidraget kommer från infallande ljus (den råa rörelsemängden från fotonerna som träffar seglet). Nästa är spegelreflektion (rörelsemängd som överförs när fotoner studsar perfekt mot seglet). Det svagaste bidraget kommer från diffus spridning (rörelsemängd från fotoner som absorberas av seglet och sedan återutsänds i slumpmässiga riktningar).

Vid relativt låga hastigheter bidrar alla dessa effekter till att trycka seglet framåt. Situationen blir mycket mer komplicerad när rymdfarkosten når relativistiska hastigheter. När seglet rusar bort från ljuskällan genomgår ljuset som når det en allt starkare Dopplerskiftning. Frekvensen på det infallande ljuset minskar, vilket minskar mängden dragkraft som produceras av alla tre komponenterna. Som ett resultat blir fortsatt acceleration gradvis mindre effektiv. Ju snabbare seglet färdas, desto svårare blir det för lasern att fortsätta öka dess hastighet.

Situationen förändras ännu mer dramatiskt när ljusseglet når cirka 75 % av ljushastigheten. Vid den hastigheten blir relativistisk ljusavvikelse viktig. Från en stationär observatörs synvinkel på jorden börjar diffust spritt ljus att riktas framåt, mot den riktning som seglet färdas. Eftersom varje handling har en lika stor och motsatt reaktion, producerar den framåtriktade strålningen en kraft i motsatt riktning. Detta innebär att diffus spridning (visserligen den svagaste av de tre krafterna) börjar fungera som drag när seglet passerar ungefär 75 % av ljushastigheten. Lasern trycker fortfarande seglet framåt totalt sett, så den totala kraften blir inte negativ. Men effektiviteten hos framdrivningssystemet minskar avsevärt.

Riktiga solsegel skulle möta ännu fler utmaningar. Studien fokuserar specifikt på strålningsdynamik; den inkluderar inte icke-strålningsmässiga effekter som kollisioner och drag från interstellär gas eller damm. Den utelämnar också de termiska gränserna för riktiga segelmaterial. Ett segel som utsätts för en extremt kraftfull laser kan potentiellt överhettas eller till och med smälta. För enkelhetens skull modellerar forskarna ljusseglet som en idealiserad spegel. Riktiga rymdfarkoster skulle sannolikt använda mycket mer sofistikerade material.

Ingenjörer undersöker redan avancerade metamaterial och fotoniska kristaller designade för specifika laservåglängder. I princip kan sådana material till och med dra nytta av de aberrationseffekter som beskrivs i studien. De skulle kunna hjälpa ett ljussegel att automatiskt korrigera sin orientering och stabilisera sin bana så att det förblir centrerat inom laserstrålen.

Ett fullt fungerande interstellärt solsegel är fortfarande långt ifrån att bli verklighet. Att färdas över interstellära avstånd introducerar många ytterligare komplikationer, inklusive rumtidens krökning, som tidningen också förenklar bort. Ändå är att förstå dessa höghastighetseffekter en viktig del av att avgöra hur sådana rymdfarkoster så småningom skulle kunna fungera. Om mänskligheten en dag skickar en sond till en annan stjärna, kommer ingenjörer att behöva en detaljerad förståelse av varje kraft som kan påverka dess resa.