大风号

可能减缓星际太阳帆的神秘力量

07-21 22:28 来自北京

神秘力量或可影响星际太阳帆速度

衍射式太阳帆的概念图

衍射式太阳帆的概念图。图片来源：美国国家航空航天局格罗弗斯沃茨兰德

太阳帆在接近光速的一个显著比例时，可能会遇到来自光本身的阻力。

让航天器抵达另一颗恒星并非仅仅是建造更大火箭的问题。化学推进对于实际时间尺度上的星际旅行来说太慢了，这就是为什么许多任务概念转而将光本身作为引擎。

主要方案之一是太阳帆，这是一块由光子推动的巨大反射片。在更具雄心的星际航行设计中，太阳帆不仅由阳光驱动，还会由强大的激光驱动，这些激光能将其加速到远超传统航天器的速度。

arXiv上一篇由哈尔滨工业大学的沈超和李佳泽撰写的新论文指出了一个奇怪的复杂情况。当速度达到光速的很大一部分时，原本推动帆前进的光可能会开始起相反作用。

光子有几种推动方式

这篇论文研究了光子向太阳帆传递力的三种方式。第一种是入射光，来自光子撞击帆面时的直接动量。第二种是镜面反射，当光子从反射表面干净地反弹并传递额外动量时发生。第三种是漫散射，当光子被吸收后再向随机方向重新发射时发生。

在普通条件下，这些效应有助于推动帆。但一旦航天器开始以相对论速度运动，情况就会发生变化——此时运动规则必须考虑在接近光速时变得重要的效应。

当光帆远离其激光源时，到达它的光会因多普勒效应发生偏移。频率下降，随之下降的还有三种光子驱动力各自产生的推力。这意味着光帆飞得越快，就越难保持对它的高效加速。

光本身会成为阻力

当光帆达到光速的75％时，情况会变得更糟。此时，一种名为相对论光行差的现象开始起作用。从地球上静止观察者的视角来看，漫散射光会朝着光帆的运动方向向前传播。由于每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力，这意味着超过光速的75％后，漫散射（诚然是三种力中最弱的一种）会成为系统的主动阻力。

诚然，此时推进激光的净力仍为正，但效率下降幅度很大。值得注意的是，该论文仅关注辐射动力学，未考虑非辐射因素（如星际气体或尘埃的阻力），也未涉及帆材料的热限制（如在高功率激光下可能熔化的问题）。

该论文将光帆材料视为理想化的反射镜。在实践中，航空航天工程师正在探索针对特定激光波长进行调谐的先进超材料和光子晶体。这些材料有可能利用论文中讨论的像差效应来主动自我校正并稳定光帆的飞行路径，确保其保持在光束中心。

工程技术必须迎头赶上

但我们距离积极建造和测试成熟的星际太阳帆还有很长的路要走。在进行如此遥远的旅行时，还会有更多复杂问题，比如时空曲率，而这篇论文也将其简化掉了。

但在理解这类系统的飞行动力学方面的每一步都是朝着正确方向迈出的一步，因为当我们最终决定向另一颗恒星发射探测器时，我们将需要我们所能获得的所有工程技术和理解。

参考文献10。48550arXiv。2405。04052

改编自最初发表于《今日宇宙》的一篇文章。