Medzihviezdny pohon má problém. Pri 75 % rýchlosti svetla sa začína správať čudne

Myšlienka vyslať k cudzím hviezdam miniatúrne sondy poháňané gigantickými lasermi zo Zeme patrí k najnádejnejším konceptom modernej astrofyziky. V teoretických návrhoch sme počítali s tým, že ľahká plachta dokáže akcelerovať na desiatky percent rýchlosti svetla a doraziť k najbližšej hviezde za pár desaťročí. Fyzika na relativistických škálach však opäť ukázala, aké zradné dokáže byť medzihviezdne prostredie.

Dvojica vedcov Chao Shen a Jiaze Li z prestížneho čínskeho inštitútu Harbin Institute of Technology prišla s novou štúdiou, ktorá odhaľuje nečakaný limit. Rovnaké svetlo, ktoré má plachetnicu tlačiť vpred, sa pri extrémnych rýchlostiach začne správať presne opačne a začne pôsobiť ako nežiaduca brzda.

Extrémne fyzikálne procesy v kozme často prinášajú prekvapenia a ukazujú, že mechanika vesmíru funguje inak, než by sme intuitívne čakali. Podobne nečakané správanie vidíme v celom vesmíre, čo potvrdzuje aj prípad, kedy astronómovia zachytili čiernu dieru pri šokujúcom procese vyvrhnutia hmoty.

Ako fotóny v skutočnosti tlačia plachtu vpred

Aby sme pochopili celý problém, musíme sa najprv pozrieť na to, ako svetelný pohon funguje pri bežných rýchlostiach. Fyzici rozdeľujú silu fotónov narážajúcich do reflexnej plochy na tri samostatné zložky. Tou najsilnejšou je dopadajúce svetlo, teda čistý moment hybnosti fotónov, ktoré narážajú priamo do plachty.

Druhým kľúčovým faktorom je zrkadlový odraz. Keď sa fotón dokonale odrazí od plachty pod presným uhlom, odovzdá jej dodatočný impulz navyše. Tento odraz funguje ako elastická zrážka dvoch telies a zásadne zvyšuje celkovú účinnosť urýchľovania.

Treťou a najslabšou zložkou je difúzny rozptyl. Ide o fotóny, ktoré materiál plachty pohltí a následne ich náhodne vyžiari do okolia. Pri nízkych rýchlostiach všetky tri tieto mechanizmy spolupracujú a bez problémov tlačia sondu smerom dopredu.

Dopplerov jav a strata ťahu

Akonáhle sa však plachta dostane do relativistických rýchlostí, do hry vstupuje klasická Einsteinova fyzika. Ako sa vesmírna sonda vzďaľuje od laserového žiariča umiestneného na Zemi alebo na obežnej dráhe, prichádzajúce svetlo podlieha výraznému Dopplerovmu posunu.

Pre sondu to znamená, že frekvencia dopadajúceho svetla neustále klesá a vlnová dĺžka sa naťahuje smerom k červenému spektru. Fotóny tak nesú čoraz menej energie a odovzdávajú plachte podstatne menší ťah.

Každé ďalšie zvýšenie rýchlosti si preto vyžaduje čoraz masívnejší prísun energie z laserového dela. Akcelerácia sa postupne stáva dramaticky neefektívnou. Skutočný zlom však nastáva v momente, keď plachta dosiahne hranicu približne 75 % rýchlosti svetla.

Bod zlomu pri troch štvrtinách rýchlosti svetla

Pri prekonaní hranice 0,75 c (troch štvrtín rýchlosti svetla) začína hrať dominantnú úlohu jav známy ako relativistická aberácia svetla. Ide o efekt, pri ktorom sa smer šírenia svetelných lúčov mení v závislosti od pohybu pozorovateľa.

Z pohľadu stacionárneho pozorovateľa na Zemi sa difúzne rozptýlené svetlo začne stáčať dopredu, teda v smere letu samotnej plachty. Plachta tak začína vyžarovať fotóny prevažne pred seba do smeru svojej trajektórie.

Vzhľadom na základný fyzikálny zákon akcie a reakcie vyvoláva toto dopredu smerované žiarenie spätnú silu. Difúzny rozptyl sa zrazu mení na brzdnú silu, ktorá aktívne spomaľuje let sondy.

Zastaví sa plachetnica úplne?

Hoci difúzny rozptyl začína fungovať ako brzda, neznamená to, že by sa medzihviezdna sonda okamžite zastavila alebo začala cúvať. Hlavný prúd fotónov z lasera stále tlačí plachtu vpred s vyššou silou, než akú generuje tento brzdný odpor.

Celková výsledná sila teda zostáva kladná a plachta pokračuje v zrýchľovaní. Účinnosť celého pohonného systému však zaznamená brutálny prepad a dosiahnutie vyšších rýchlostí sa stáva energeticky extrémne náročné.

Tento relativistický odpor predstavuje strop, s ktorým predchádzajúce inžinierske modely vôbec nepočítali. Pre vedcov to znamená nutnosť prepracovať matematické modely budúcich misií k sústave Alfa Centauri.

Realita bude ešte oveľa zložitejšia

Autori štúdie otvorene priznávajú, že ich model pracoval s idealizovaným zrkadlom a zameral sa výhradne na radiačnú dynamiku. Skutočná medzihviezdna misia však bude musieť čeliť ďalším zásadným rizikám, ktoré situáciu ešte viac komplikujú.

V medzihviezdnom priestore na sondu čaká prach, plyn a voľné atómy, ktoré budú pri troch štvrtinách rýchlosti svetla pôsobiť ako neúprosný pieskový brúsny papier. Nezanedbateľným problémom sú aj tepelné limity materiálov, keďže gigantický laserový výkon môže plachtu jednoducho roztaviť.

Riešením by v budúcnosti mohli byť pokročilé metamateriály a fotonické kryštály navrhnuté na mieru konkrétnej vlnovej dĺžke. Tieto materiály by dokonca mohli využiť aberáciu svetla na automatické udržiavanie stability a správnej orientácie plachty v strede laserového lúča.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda