القوة الغريبة التي يمكن أن تبطئ الأشرعة الشمسية بين النجوم

قد تواجه الأشرعة الشمسية سحبًا من الضوء نفسه عندما تقترب من جزء كبير من سرعتها.

إن إرسال مركبة فضائية إلى نجم آخر لا يعني مجرد بناء صاروخ أكبر. يعد الدفع الكيميائي بطيئًا جدًا بالنسبة للسفر بين النجوم على فترات زمنية عملية، ولهذا السبب تتحول العديد من مفاهيم المهمة إلى الضوء نفسه كمحرك.

إحدى الأفكار الرائدة هي الشراع الشمسي، وهو عبارة عن طبقة عاكسة ضخمة تدفعها الفوتونات. وفي التصاميم الأكثر طموحًا بين النجوم، لن يتم دفع الشراع بواسطة ضوء الشمس فحسب، بل بواسطة أشعة الليزر القوية التي يمكنها تسريعه إلى سرعات تتجاوز بكثير ما يمكن أن تصل إليه المركبات الفضائية التقليدية.

ورقة جديدة متاحة على arXiv يشير تشاو شين وجياز لي من معهد هاربين للتكنولوجيا إلى تعقيد غريب. عند جزء كبير من سرعة الضوء، فإن نفس الضوء الذي يدفع الشراع للأمام قد يبدأ في العمل ضده.

تدفع الفوتونات بعدة طرق

تتناول هذه الورقة البحثية ثلاث طرق تنقل بها الفوتونات القوة إلى الشراع الشمسي. الأول هو الضوء الساقط، والذي يأتي من الزخم المباشر للفوتونات التي تضرب الشراع. والثاني هو الانعكاس المرآوي، والذي يحدث عندما ترتد الفوتونات بشكل نظيف عن السطح العاكس وتنقل زخمًا إضافيًا. والثالث هو التشتت المنتشر، والذي يحدث عندما يتم امتصاص الفوتونات ثم إعادة إطلاقها في اتجاهات عشوائية.

في الظروف العادية، تساعد هذه التأثيرات في دفع الشراع. لكن الصورة تتغير بمجرد أن تبدأ المركبة في التحرك بسرعات نسبية، حيث يجب أن تأخذ قواعد الحركة في الاعتبار التأثيرات التي تصبح مهمة بالقرب من سرعة الضوء.

عندما يبتعد الشراع عن مصدر الليزر، فإن الضوء الذي يصل إليه ينزاح بفعل تأثير دوبلر. وينخفض ​​التردد، ومعه الدفع الناتج عن كل من القوى الثلاث التي يحركها الفوتون. وهذا يعني أنه كلما تحرك الشراع بشكل أسرع، أصبح من الصعب الاستمرار في تسريعه بكفاءة.

الضوء نفسه يصبح سحبًا

ويزداد الأمر سوءًا عندما تصل سرعة الشراع الضوئي إلى 75% من سرعة الضوء. عند هذه النقطة، تتولى ظاهرة تسمى انحراف الضوء النسبي. من منظور مراقب ثابت على الأرض، يتم توجيه الضوء المتناثر للأمام نحو اتجاه حركة الشراع. وبما أن كل فعل يجب أن يكون له رد فعل مساوي ومعاكس، فإن هذا يعني أن التشتت المنتشر (وهو أضعف القوى الثلاث) يصبح بمثابة سحب نشط على النظام يتجاوز 75٪ من سرعة الضوء.

ومن المسلم به أن القوة الصافية لليزر الدافع تظل إيجابية عند هذه النقطة، ولكن انخفاض الكفاءة كبير. ومن الجدير بالذكر أن الورقة تركز حصريًا على الديناميكيات الإشعاعية ولا تأخذ في الاعتبار العوامل غير الإشعاعية، مثل السحب من الغاز أو الغبار بين النجوم، كما أنها لا تتناول القيود الحرارية للمواد الشراعية، مثل الانصهار المحتمل تحت أشعة الليزر عالية الطاقة.

تتعامل الورقة مع مادة الشراع الضوئي كمرآة مثالية. ومن الناحية العملية، يستكشف مهندسو الفضاء الجوي التقنيات المتقدمة المواد الفوقية والبلورات الضوئية المضبوطة لأطوال موجية ليزر محددة. يمكن لهذه المواد الاستفادة من تأثيرات الانحراف التي تمت مناقشتها في الورقة للتصحيح الذاتي بشكل فعال وتحقيق الاستقرار في مسار طيران الشراع الضوئي، مما يضمن بقائه متمركزًا في الشعاع.

الهندسة يجب أن تلحق بالركب

لكننا لا نزال بعيدين عن بناء واختبار شراع شمسي كامل بين النجوم. عند السفر إلى هذا الحد، هناك المزيد من التعقيدات، مثل انحناء الزمكان، والذي تبسطه الورقة أيضًا.

لكن كل خطوة نحو فهم ديناميكيات الطيران في مثل هذا النظام هي خطوة في الاتجاه الصحيح، لأننا عندما نقرر في النهاية إرسال مسبار إلى نجم آخر، سنحتاج إلى كل الهندسة والفهم الذي يمكننا الحصول عليه.

المرجع: “ديناميكيات الدفع النسبية للشراع الخفيف” بقلم تشاو شين، جيازي لي، 2 يونيو 2026، arXiv.
دوى: 10.48550/arXiv.2606.04052

مقتبس من مقالة نشرت أصلا في الكون اليوم.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.