Наиболее перспективным способом достижения других звёздных систем сегодня считается использование светового паруса. Концепция предполагает разгон компактного зонда до внушительных скоростей при помощи мощных лазерных установок. Однако недавнее исследование китайских учёных показало, что при попытке достичь релятивистских скоростей суровая физика света может стать непреодолимым препятствием для реализации этой идеи.
Команда специалистов из Харбинского технологического института проанализировала взаимодействие фотонов с парусом на экстремальных скоростях. Хотя их модель всё ещё является упрощённой — она не учитывает влияние космической пыли или искривление пространства-времени — проведённые расчёты ясно дают понять: текущие представления о межзвёздных перелётах требуют серьёзной корректировки.
Проблема эффективности передачи импульса
Учёные выделяют три механизма, с помощью которых свет передаёт энергию парусу: прямой импульс фотонов, их отражение и диффузное рассеяние (поглощение с последующим переизлучением в произвольном направлении). Наибольший вклад в создание тяги вносит прямой импульс, в то время как рассеяние наименее эффективно.
Главная трудность заключается в том, что по мере ускорения эффективность передачи импульса закономерно снижается. Ключевую роль здесь играет эффект Доплера: для движущегося объекта «толкающий» луч лазера смещается в красную область спектра. Это приводит к падению частоты излучения и, как следствие, ослаблению механизмов тяги.
Критическая точка при достижении высоких скоростей
Ситуация осложняется при достижении скорости, составляющей 75% от скорости света. В этот момент диффузное рассеяние начинает играть негативную роль: фотоны начинают преимущественно переизлучаться в направлении полёта, превращаясь из «толкающей» силы в тормозящий фактор. Таким образом, КПД лазерной системы стремительно падает, что ставит под вопрос возможность эффективного разгона на поздних этапах миссии.
Исследователи делают вывод: привычные зеркальные плёнки в качестве световых парусов не подходят для межзвёздных путешествий. Будущие системы должны базироваться на сложных фотонных структурах, метаматериалах или специально настроенных фотонных кристаллах, которые смогут адаптироваться к изменению характеристик лазерного излучения в процессе полёта.
