Учёные обнаружили скрытую проблему межзвёздных полётов на околосветовых скоростях
Исследователи обнаружили необычное ограничение, с которым могут столкнуться будущие межзвёздные аппараты со световыми парусами. При разгоне примерно до 75% скорости света часть излучения, толкающего парус вперёд, начинает создавать противоположную силу и фактически тормозить аппарат. Эффект возникает из-за релятивистских свойств света и может снижать эффективность разгона на экстремально высоких скоростях.
Световой парус представляет собой большую и очень лёгкую отражающую поверхность, которую можно разгонять давлением фотонов. Для межзвёздных полётов рассматривается вариант, при котором на парус направляется мощный лазерный луч. В отличие от обычной ракеты, такой аппарат не должен нести запас топлива для разгона, что теоретически позволяет достичь значительной доли скорости света.
Чао Шэнь и Цзяцзэ Ли из Харбинского технологического института построили релятивистскую модель движения светового паруса и рассмотрели три составляющие силы, возникающей при взаимодействии излучения с его поверхностью. Первая связана непосредственно с импульсом падающих фотонов, вторая возникает при их зеркальном отражении, а третья — при диффузном рассеянии света. Самый большой вклад в тягу даёт падающее излучение, затем следует зеркальное отражение, а эффект диффузного рассеяния оказывается самым слабым.
При увеличении скорости аппарата эффективность всех трёх механизмов постепенно уменьшается. Причиной становится релятивистский эффект Доплера: по мере того как парус удаляется от источника лазерного излучения, частота достигающего его света снижается. Поэтому с дальнейшим разгоном один и тот же лазерный луч создаёт всё меньшую тягу. Расчёты показали, что основное увеличение скорости происходит на начальном этапе полёта, тогда как при приближении к релятивистским скоростям разгон становится всё менее эффективным.
Особенно необычный эффект появляется примерно при 75% скорости света, или около 225 тысяч километров в секунду. На таких скоростях существенную роль начинает играть релятивистская аберрация света. С точки зрения неподвижного наблюдателя диффузно рассеянное парусом излучение всё сильнее направляется вперёд, то есть в сторону движения аппарата. Возникающая в ответ сила направлена назад. В результате компонент силы, связанный с диффузным рассеянием, перестаёт помогать разгону и начинает действовать как сопротивление.
Это не означает, что при достижении 75% скорости света аппарат внезапно начнёт замедляться или что такая скорость является абсолютным пределом для светового паруса. Диффузное рассеяние представляет собой лишь одну и притом самую слабую составляющую взаимодействия паруса с излучением. Суммарная сила лазерного луча по-прежнему направлена вперёд, поэтому аппарат продолжает ускоряться, однако эффективность дальнейшего разгона снижается.
Модель при этом описывает только воздействие излучения. Исследователи не включали в расчёты сопротивление межзвёздного газа и пыли, которые при околосветовых скоростях также становятся серьёзной проблемой. Не учитывались и температурные ограничения материалов: мощный лазер способен нагревать парус, поэтому реальная конструкция должна выдерживать интенсивное излучение без разрушения или плавления. В расчётах парус был представлен в упрощённом виде как идеализированное зеркало.
В реальных межзвёздных аппаратах могут применяться более сложные материалы, включая метаматериалы и фотонные кристаллы, оптимизированные под определённую длину волны лазера. Авторы считают, что особенности релятивистской аберрации потенциально можно использовать не только как фактор, ограничивающий эффективность разгона, но и для стабилизации светового паруса и удержания его в центре лазерного луча.
Световые паруса уже испытывались в космосе, однако существующие аппараты работают на скоростях, несопоставимых с рассмотренными в новой модели. Межзвёздные лазерные паруса пока остаются концепцией, а создание системы, способной разогнать аппарат до значительной доли скорости света, потребует решения проблем мощности лазеров, прочности и нагрева материалов, наведения луча и столкновений с межзвёздным веществом. Новые расчёты показывают, что к этому списку необходимо добавить релятивистское изменение самой силы, с которой свет воздействует на парус.
Исследование в препринте на arXiv.