Проект Starshot, инициатива, спонсируемая Фондом Прорыва, призван стать первым межзвездным путешествием человечества.
Фото: прорывные инициативы.org

До ближайшей звезды далеко, а это значит, что обычные ракеты нас туда не доставят. Потребность в топливе сделает наш корабль непомерно тяжелым. Альтернативой является путешествие налегке. Буквально. Вместо того, чтобы носить с собой топливо, просто прикрепите свой крошечный звездолет к большому отражающему парусу и направьте на него мощный лазер.

Импульс фотонов разогнал бы космический корабль до скорости света. На луче света миссия на световом парусе могла бы достичь Проксимы Центавра через пару десятилетий. Но хотя идея проста, инженерные проблемы значительны, потому что на протяжении десятилетий и световых лет даже самую маленькую проблему может быть трудно решить.

Один из примеров этого можно увидеть в недавнем препринте arXiv. В нем рассматривается проблема балансировки светового паруса на лазерном луче. Хотя лазер можно направить прямо на звезду или туда, где она будет через пару десятилетий, световой парус будет следовать за лучом только в том случае, если он идеально сбалансирован.

Если парус слегка наклонен относительно луча, отраженный лазерный свет придаст световому парусу небольшой поперечный толчок. Каким бы малым ни было это отклонение, со временем оно будет увеличиваться, заставляя его траекторию все время отклоняться от цели. Нам никогда не удастся выровнять световой парус идеально, поэтому нам нужен способ исправить небольшие отклонения.

В традиционных ракетах это можно сделать с помощью внутренних гироскопов для стабилизации ракеты и двигателей, которые могут динамически регулировать свою тягу для восстановления баланса. Но гироскопическая система была бы слишком тяжелой для межзвездного светового паруса, а регулировка луча, чтобы достичь светового паруса, заняла бы месяцы или годы, что сделало бы быстрые изменения невозможными. Поэтому авторы предлагают использовать радиационный трюк, известный как эффект Пойнтинга-Робертсона.

Как небольшое отклонение может сбить световой парус с курса.
Авторы и права: Макинтош и др.

Эффект был впервые изучен в начале 1900-х годов и вызван относительным движением между объектом и источником света. Например, пылинка, вращающаяся вокруг Солнца, видит свет, идущий под небольшим углом вперед из-за ее движения через солнечный свет. Этот небольшой передний компонент света может немного замедлить астероид. Этот эффект заставляет пыль с течением времени дрейфовать к внутренней части Солнечной системы.

В этой статье авторы рассматривают двумерную модель, чтобы увидеть, как эффект Пойнтинга-Робертсона можно использовать для удержания нашего зонда светового паруса на курсе. Для простоты они предположили, что луч света представляет собой простую монохроматическую плоскую волну. Реальные лазеры более сложны, но это предположение разумно для подтверждения концепции. Затем они показали, как простая система с двумя парусами может использовать эффекты относительного движения, чтобы удерживать корабль в равновесии. Когда паруса слегка отклоняются от курса, этому противодействует восстанавливающая сила балки. Таким образом, доказывая, что концепция может работать.

Однако авторы заметили, что со временем в игру вступают эффекты теории относительности. Более ранние исследования учитывали эффект Доплера относительного движения, но это исследование показывает, что релятивистская версия хроматической аберрации также может сыграть свою роль. Полные релятивистские эффекты необходимо будет учитывать в реалистичном проекте, что потребует сложного моделирования и оптики.

Так что световой парус по-прежнему кажется возможным способом достичь звезд. Нам просто нужно быть осторожными и не пренебрегать инженерными проблемами.