Учёные показали, что межзвёздные световые паруса, разгоняемые мощными лазерами, могут столкнуться с неожиданным ограничением при движении на околосветовых скоростях. Согласно новому исследованию, после достижения примерно 75% скорости света паруса могут столкнуться с силой сопротивления, создаваемой самим светом.
Сегодня химические ракетные двигатели считаются неэффективными для межзвёздных перелётов из-за слишком низкой скорости. Одной из перспективных альтернатив считаются световые паруса. В ряде проектов предполагается использовать для этого мощные наземные лазеры, способные разгонять световой парус до значительной доли скорости света.
Исследователи из Харбинского технологического института решили изучить, как меняется взаимодействие светового паруса с лазерным излучением на релятивистских скоростях. В своей работе они рассмотрели три основных механизма передачи импульса от фотонов к парусу.
Первый связан с непосредственным давлением падающего света. Второй возникает при отражении фотонов от поверхности паруса. Третий обусловлен диффузным рассеянием света, когда часть фотонов поглощается материалом, а затем переизлучается в различных направлениях. (То есть, на самом деле механизма два, но вот на релятивистский скоростях упругое рассеяние фотонов удобнее разделить на две составляющие) Пока скорость аппарата относительно невелика, все эти процессы создают результирующую силу, направленную вперёд. Однако когда световой парус начинает достигать релятивистских скоростей, начинаются проблемы.
Одной из них становится эффект Доплера. По мере набора скорости и удаления паруса от источника лазерного излучения частота света в системе отсчёта аппарата уменьшается. В результате давление излучения постепенно ослабевает, и дальнейшее ускорение становится всё менее эффективным.
Ситуация дополнительно осложняется после достижения примерно 75% скорости света. На этих скоростях начинает играть важную роль эффект релятивистской аберрации света. Для неподвижного наблюдателя диффузно рассеянное излучение начинает преимущественно распространяться вперёд по ходу движения паруса. Поскольку импульс должен сохраняться, возникает сила, направленная в противоположную сторону. В результате диффузное рассеяние света превращается из слабого источника тяги в дополнительный тормозящий фактор.
Авторы подчёркивают, что даже в этом случае суммарное воздействие лазера остаётся ускоряющим. Тем не менее эффективность разгона заметно снижается по мере приближения к околосветовым скоростям. При этом исследование рассматривает только влияние самого излучения. В расчёты не включались столкновения с межзвёздным газом и пылью, а также тепловые ограничения материалов светового паруса, например плавление под воздействием мощных лазеров.
В работе также использовалась упрощённая модель идеального зеркала. На практике для межзвёздных парусов рассматриваются более сложные материалы. Например, метаматериалы и фотонные кристаллы, специально настроенные на определённые длины волн лазерного излучения. Авторы отмечают, что такие материалы потенциально могут использовать описанные эффекты аберрации для самостабилизации светового паруса и удержания его внутри лазерного луча.
Авторы отмечают, что до практического создания межзвёздных аппаратов на световых парусах ещё далеко. Тем не менее подобные исследования помогают лучше понять динамику их движения и ограничения, которые придётся учитывать при разработке будущих межзвёздных миссий.