Кредит: Маккензи Мартин
Для того чтобы добраться до другой звезды, традиционных двигателей явно недостаточно. В качестве альтернативы рассматриваются солнечные паруса — обширные отражающие полотна, разгоняемые давлением света. Если направить на такое полотно излучение лазерных установок колоссальной мощности, по расчётам, оно способно достигнуть скоростей, недоступных современным двигательным системам.
Однако новое исследование Чао Шена и Цзязе Ли, представленное на платформе arXiv, показывает: когда аппарат приближается к субсветовым скоростям, сам свет, приводящий парус в движение, может начать оказывать сопротивление. Оба автора работают в Харбинском технологическом институте.
Фотоны, падающие на парус, порождают три вида сил. Наибольшую тягу обеспечивает импульс падающего света. Чуть меньший вклад даёт зеркальное отражение, при котором фотоны отскакивают от поверхности, передавая ей импульс. Самой слабой составляющей оказывается диффузное рассеяние: фотоны поглощаются, а затем переизлучаются в случайных направлениях.
Пока скорость корабля невелика, все три механизма толкают его вперёд. Но с переходом к релятивистским скоростям вступает в действие эффект Доплера: из-за удаления паруса от источника частота принимаемого света уменьшается, что резко ослабляет передаваемую энергию. Ускорение становится всё менее и менее эффективным.
Когда рассеянный свет начинает тормозить
Переломный момент наступает примерно при достижении 75% скорости света. С этого рубежа начинает сказываться релятивистская аберрация света. Для наблюдателя на Земле диффузно переизлучённый свет устремляется уже не назад, а вперёд — туда же, куда движется парус. Поскольку каждое действие порождает противодействие, такое излучение создаёт импульс, направленный против движения. Так диффузное рассеяние, самое незначительное из трёх, превращается в тормозящую силу.
Тем не менее лазер продолжает подталкивать парус вперёд, поэтому суммарная сила остаётся положительной. Эффективность движителя после преодоления этого порога всё же заметно снижается.
В своей работе авторы анализируют исключительно радиационную динамику, намеренно оставляя в стороне нерадиационные факторы — например, сопротивление межзвёздной пыли и газа, а также тепловые ограничения реальных конструкций. Воздействие лазера огромной мощности грозит перегревом или даже плавлением паруса. Для простоты модели парус рассматривается как идеальное зеркало, тогда как в реальности, вероятно, потребуются куда более сложные композитные материалы.
Инженеры уже исследуют современные метаматериалы и фотонные кристаллы, рассчитанные на конкретные длины волн лазерного излучения. Такие покрытия, в принципе, могли бы использовать описанные аберрационные эффекты для автоматической стабилизации: парус самостоятельно возвращался бы в центр луча и корректировал собственную ориентацию.
До полноценного межзвёздного светового паруса пока очень далеко. Межзвёздный перелёт требует разрешения множества дополнительных задач, включая и упомянутое в статье искривление пространства-времени. Тем не менее детальное понимание высокоскоростных процессов необходимо уже сейчас — без него невозможно точно рассчитать поведение аппарата, если когда-нибудь он всё же отправится к далёкой звезде.