Ученые выявили неожиданную преграду для перспективных межзвездных аппаратов, использующих световые паруса. По мере достижения скорости, составляющей около 75% от скорости света, часть излучения, обеспечивающего движение паруса, начинает оказывать обратное воздействие, замедляя устройство. Этот эффект обусловлен релятивистскими свойствами света и может существенно снижать эффективность разгона при стремлении к очень высоким скоростям.

Световой парус – это большая и чрезвычайно лёгкая отражающая конструкция, которая получает импульс от давления фотонов. Для межзвёздных путешествий предлагается использовать мощный лазерный луч, направленный на парус. В отличие от традиционных ракет, такой аппарат не требует запаса топлива для разгона, что теоретически открывает возможность достижения значительной доли скорости света.

Чао Шэнь и Цзяцзэ Ли, сотрудники Харбинского технологического института, разработали релятивистскую модель движения светового паруса, учитывающую три типа сил, возникающих при взаимодействии излучения с его поверхностью. Первая сила связана непосредственно с импульсом падающего света, вторая – с отражением от поверхности паруса, а третья – с диффузным рассеянием света. Наибольший вклад в тягу обеспечивает падающее излучение, за ним следует отражение, а эффект диффузного рассеяния является наименее значимым.

С повышением скорости аппарата эффективность всех трех механизмов постепенно снижается. Это связано с релятивистским эффектом Доплера: по мере удаления паруса от источника лазерного излучения частота света, достигающего его поверхности, уменьшается. В результате дальнейший разгон приводит к всё меньшей тяге. Проведенные расчеты указывают на то, что наиболее существенное увеличение скорости происходит на начальном этапе полета, в то время как при приближении к релятивистским скоростям процесс разгона становится менее эффективным.

Приблизительно на отметке 75% скорости света, что эквивалентно примерно 225 тысячам километрам в секунду, наблюдается весьма специфический эффект. В таких условиях релятивистская аберрация света начинает оказывать значительное влияние. С точки зрения неподвижного наблюдателя, излучение, рассеянное диффузным парусом, всё больше концентрируется в направлении движения аппарата. Возникающая вследствие этого сила направлена в противоположную сторону, что приводит к тому, что компонента силы, обусловленная диффузным рассеянием, перестаёт способствовать ускорению и начинает проявляться как тормозящая сила.

Важно отметить, что это не подразумевает внезапное снижение скорости аппарата при достижении 75% световой скорости или установление абсолютного предела для разгона с помощью светового паруса. Диффузное рассеяние представляет собой лишь один из факторов взаимодействия паруса с излучением и самый незначительный по своей силе. Несмотря на это, суммарная сила лазерного луча продолжает направлять аппарат вперёд, обеспечивая дальнейшее ускорение, хотя и с уменьшающейся эффективностью.

Представленная модель фокусируется исключительно на воздействии излучения. В расчётах не были учтены такие факторы, как сопротивление межзвёздной среды – газа и пыли, которые при скоростях, близких к скорости света, становятся существенной преградой. Также не рассматривались температурные ограничения материалов: мощный лазер способен создавать значительный нагрев паруса, поэтому реальная конструкция должна быть способна выдерживать интенсивное излучение без разрушения или плавления. В рамках модели парус был упрощённо представлен как идеальное зеркало.

В конструкциях реальных межзвёздных аппаратов могут использоваться более сложные материалы, включая метаматериалы и фотонные кристаллы, разработанные для оптимальной работы с конкретной длиной волны лазера. Исследователи полагают, что особенности релятивистской аберрации можно потенциально использовать не только как фактор, снижающий эффективность разгона, но и для стабилизации светового паруса и поддержания его в центре лазерного луча.

Ранее в космосе уже проводились испытания световых парусов, но применяемые устройства демонстрируют характеристики, значительно отличающиеся от параметров, заявленных для новой модели. В настоящее время межзвёздные лазерные паруса представляют собой лишь теоретическую разработку, а для достижения аппаратной системы до заметной доли скорости света потребуется преодоление ряда сложностей, включая вопросы, связанные с мощностью используемых лазеров, прочностью и термостойкостью материалов, точностью наведения луча и потенциальными столкновениями с межзвёздным веществом. Недавние вычисления указывают на необходимость включения в этот перечень ещё одного фактора: релятивистское изменение величины воздействия светового потока на парус.

Исследование представлено в препринте на arXiv.