激光驱动的光帆如何保持稳定？真相究竟是什么？

Starshot计划是由突破基金会赞助的一项计划，旨在成为人类的第一次星际航行。

它离最近的恒星还有很长的路要走，这意味着传统的火箭无法将我们带到那里。燃料需求将使我们的船变得非常沉重。因此，另一种选择是轻装上阵。按照字面。与其随身携带燃料，不如将你的小星际飞船连接到一个大的反光帆上，然后用强大的激光照射它。光子的脉冲会将星际飞船推到光速的一小部分。乘着一束光，光帆任务可以在几十年内到达比邻星。但是，虽然这个想法很简单，但工程挑战却是巨大的，因为跨越几十年和光年，即使是最小的问题也很难解决。

这方面的一个例子可以在最近的arXiv论文中看到。它着眼于如何在激光束上平衡光帆的问题。虽然激光可以直接对准一颗恒星，或者几十年后它会在哪里，但光帆只有在完全平衡的情况下才会跟随光束。如果帆相对于光束略微倾斜，反射的激光会给光帆带来轻微的横向推力。无论这种偏差有多小，它都会随着时间的推移而增长，导致其路径不断偏离目标。我们永远无法完美地对齐光帆，因此我们需要一些方法来纠正微小的偏差。

对于传统火箭，这可以通过内部陀螺仪来稳定火箭，也可以通过发动机动态调整推力以恢复平衡来完成。但是陀螺仪系统对于星际光帆来说太重了，光束的调整需要数月或数年才能到达光帆，因此无法快速改变。因此，作者建议使用一种称为Poynting-Robertson效应的辐射技巧。

这种效应是在 1900 年代初期首次研究的，是由物体和光源之间的相对运动引起的。例如，围绕太阳运行的尘埃颗粒由于在阳光中的运动而看到光线以轻微的向前角射入。光的微小前方分量可以稍微减慢小行星的速度。随着时间的流逝，这种效应会导致尘埃向内太阳系漂移。

在本文中，作者考虑了一个二维模型，以了解如何使用Poynting-Robertson效应来保持我们的光帆探测器的航向。为了简单起见，他们假设光束是一个简单的单色平面波。真正的激光器更复杂，但这个假设对于概念验证是合理的。然后，他们展示了一个简单的双帆系统如何利用相对运动的影响来保持飞行器的平衡。当帆稍微偏离航向时，来自横梁的恢复力抵消了它。因此，证明这个概念是可行的。

然而，作者注意到，随着时间的推移，相对论的影响开始发挥作用。早期的研究已经将相对运动的多普勒效应付诸实践，但这项研究表明，相对论版本的色差也会发挥作用。完整的相对论效应需要在现实设计中加以考虑，这需要复杂的建模和光学。