Giả thuyết mới: Ta có thể tận dụng năng lượng từ hố đen để du hành Vũ trụ

Từ rất lâu trước khi những tên lửa và phi hành gia đầu tiên được đưa vào vũ trụ, con người đã luôn khao khát giấc mơ được đặt chân đến những hành tinh khác.

Mặc dù chúng ta đã đạt được rất nhiều những tiến bộ kể từ đầu Kỷ nguyên Vũ trụ, việc du hành giữa các vì sao vẫn còn là một giấc mơ xa vời. Bên cạnh các khái niệm lý thuyết đã được đưa ra, trên thực tế, vẫn còn nhiều vấn đề về chi phí, thời gian đi lại và nhiên liệu mà chúng ta cần phải giải quyết.

Hiện nay, đang có rất nhiều tranh luận xoay quanh việc liệu có thể sử dụng năng lượng trực tiếp và công nghệ buồm sáng - một vật thể lớn nhận ánh sáng tập trung để đẩy tàu vũ trụ đi, như cách gió đưa thuyền ra khơi - để đẩy các tàu vũ trụ nhỏ đến tốc độ mang tính tương đối. Nhưng nếu như vẫn còn một cách khác thậm chí có thể làm cho các tàu vũ trụ lớn hơn di chuyển với một tốc độ đủ nhanh để thực hiện các chuyến du hành liên sao thì sao?

Cánh buồm ánh sáng.

David Kipping, trưởng phòng thí nghiệm Cool Worldsm, Đại học Columbia cho biết trong tương lai, tàu vũ trụ có thể dựa vào Halo Drive, thứ công nghệ cho phép sử dụng lực hấp dẫn của hố đen để đạt tới một tốc độ đáng kinh ngạc.

Giáo sư Kipping đã mô tả khái niệm này trong một nghiên cứu gần đây. (Bản in sẵn cũng đã có trên trang web của Cool Worlds). Trong đó, ông đã chỉ rõ những thách thức lớn nhất của thám hiểm không gian chính là cần có một lượng thời gian và năng lượng đủ lớn để có thể tiến hành phóng tàu vũ trụ thực hiện nhiệm vụ khám phá phía bên ngoài Hệ mặt trời của chúng ta.

Trong email gửi cho Universe Today, ông viết:

“Du hành liên sao là một trong những nỗ lực kỹ thuật công nghệ thách thức nhất mà con người có thể nghĩ đến.

Chúng ta cũng cần phải tính đến khả năng trôi dạt giữa các ngôi sao này trong hàng triệu năm, cũng chính là du hành tiên hành tinh đó, để có thể thực hiện được những chuyến khám phá dài hàng thế kỷ hoặc đòi hỏi ít lực đẩy tương đối tính hơn.”

Như Kipping đã đề cập, lực đẩy tương đối tính (tức tăng tốc đến một phần của tốc độ ánh sáng) rất tốn năng lượng. Những tàu vũ trụ hiện tại mà chúng ta đang sở hữu đơn giản là không có đủ công suất nhiên liệu để có thể đạt tới tốc độ đó. Cũng không có quá nhiều sự lựa chọn, hoặc là kích nổ vũ khí hạt nhân, hoặc là xây dựng một động cơ phản lực hợp hạch đủ mạnh.

Trong những năm gần đây, xu hướng kích hoạt năng lượng du hành liên sao đã chuyển sang ý tưởng sử dụng cánh buồm ánh sáng và nanocraft. Một ví dụ điển hình cho ý tưởng này là dự án Breakthrough Starshot, một sáng kiến cho phép gửi một tàu vũ trụ với kích thước chỉ bằng một chiếc điện thoại thông minh đến Alpha Centauri chỉ trong quãng thời gian của một đời người.

Alpha Centauri là một hệ thống sao đôi Alpha Centauri A và B nằm ở phía nam của chòm sao Bán Nhân Mã, với độ sáng biểu kiến như là ngôi sao sáng thứ ba trên bầu trời đêm, độ sáng chỉ sau Sirius và Canopus.

Được trang bị một tấm laser siêu mạnh, cánh buồm ánh sáng sẽ có thể đạt tới 20% tốc độ ánh sáng, do đó sẽ rút ngắn thời gian của chuyến hành trình xuống chỉ còn 20 năm.

Kipping cho biết, “Năng lượng tích lũy này tương đương với năng lượng để các nhà máy điện hạt nhân có thể hoạt động trong nhiều tuần liền (và nhân tiện thì, cũng không có cách nào để con người có thể dự trữ được từng đó năng lượng). Thế nên, đó là lý do tại sao việc vận hành tàu vũ trụ du hành liên sao lại khó khăn đến thế.”

Để giải quyết vấn đề này, Kipping gợi ý một phiên bản mới được gọi là “Dyson Slingshot”, một ý tưởng được đề xuất bởi nhà vật lý lý thuyết Freeman Dyson. Ông Dyson cũng chính là người nêu lên ý tưởng về Khối cầu Dyson, một khối kiến trúc khổng lồ có thể thu nhận năng lượng của một ngôi sao.

Trong chương 12 của cuốn sách Interstellar Communications xuất bản năm 1963, Dyson đã mô tả cách mà các tàu vũ trụ có thể sử dụng lực hấp dẫn giữa các hệ sao đôi nhằm gia tăng vận tốc của mình một cách đáng kể.

Như Dyson đã mô tả, khi tiếp cận một hệ sao đôi (hai ngôi sao neutron quay quanh quỹ đạo của nhau), tàu vũ trụ có thể tận dụng lực hấp dẫn khổng lồ phát ra từ hai ngôi sao để hỗ trợ việc di chuyển.

Hình minh họa một hệ sao đôi.

Tàu vũ trụ sẽ lợi dụng lực hấp dẫn cực mạnh của hệ sao đôi - cộng thêm một lượng tương đương hai lần vận tốc quay quanh quỹ đạo của chúng - trước khi bị lấy đà vọt ra xa.

Cho dù toàn bộ giả thuyết của Dyson vẫn chỉ là ... giả thuyết, ông vẫn đưa ra thêm hai lý do cho biết tại sao loại “máy khai thác lực hấp dẫn” này lại đáng để khám phá:

"Đầu tiên, nếu dân số thế giới vẫn tiếp tục tăng nhanh và thậm chí là theo cấp số nhân, có thể đến lúc nào đó trong tương lai xa xôi, những công trình có quy mô khổng lồ này vừa có nhân lực thực hiện, lại vừa thiết yếu với sự sống còn của nhân loại.

Thứ hai, nếu chúng ta đang tìm kiếm dấu hiệu của một sự sống tiên tiến khác đã tồn tại ở một nơi nào đó trong vũ trụ, thì ta cũng phải cân nhắc xem những hiện tượng thiên văn ta vẫn thấy liệu có phải sản phẩm của công nghệ hiện đại ngoài hành tinh không".

Nói tóm lại, “máy khai thác lực hấp dẫn” rất đáng để nghiên cứu bởi rất có thể nó sẽ khả thi, và đây cũng là cách để ta phát hiện ra những trí tuệ ngoài không gian, thông qua việc phát hiện dấu vết mà công nghệ ngoài hành tinh có thể tạo ra và để lại.

Mở rộng dựa trên nghiên cứu này, Kipping đã xem xét việc làm thế nào để các hố đen - đặc biệt là các hố đen xuất hiện giữa những cặp sao đôi - có thể cung cấp lực đẩy tàu vũ trụ.

Đề xuất này một phần dựa trên thành công gần đây của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO), đã khẳng định được sự tồn tại của sóng hấp dẫn, xuât hiện khi hai hố đen va chạm. Theo những ước tính gần đây dựa trên các phát hiện trên, có thể có tới 100 triệu hố đen chỉ tính riêng trong Dải Ngân hà.

Hố đen vũ trụ.

Khi các hệ sao đôi xuất hiện, chúng sở hữu một năng lượng chuyển động theo quỹ đạo lớn đến kinh ngạc, đó là kết quả của những vòng xoáy và vận tốc chuyển động rất nhanh trong quỹ đạo của nhau.

Ngoài ra, như Kipping đã chú thích, các hố đen cũng có thể hoạt động như một tấm gương: các photon hướng theo rìa của đường chân trời sẽ bị uốn cong xung quanh và quay lại thẳng trở về nguồn phát.

"Như vậy, hố đen của hệ thống sao đôi thực chất là một cặp gương khổng lồ quay xung quanh nhau với vận tốc rất lớn. Các photon khi phóng vào tấm gương này và bật lại sẽ mang theo một phần năng lượng chúng lấy được từ hố đen (giống như khi một quả bóng bàn bị ném vào tường với lực càng mạnh thì khi bật trở lại sẽ có vận tốc càng lớn)".

Dựa trên nguyên tắc này, người ta có thể thu được một nguồn năng lượng lớn từ hố đen của hệ sao đôi để làm lực đẩy cho tàu vũ trụ.

Phương pháp tạo lực đẩy này cung cấp nhiều lợi thế vượt trội so với những nghiên cứu cũ bởi nó cung cấp cho người dùng tiềm năng di chuyển ở tốc độ tương đối mà không cần nhiên liệu, giúp giảm bớt đáng kể khối lượng của phương tiện phóng.

Ngoài ra còn có hằng hà sa số hố đen vũ trụ khác tồn tại trên Dải Ngân hà có thể hoạt động như một mạng lưới, tạo tiềm năng cho du hành vũ trụ ở tốc độ tương đối tính. Chưa hết, các nhà khoa học cũng đã thấy tác dụng của những cú văng sử dụng lực hấp dẫn như thế, dưới dạng các ngôi sao siêu tốc.

Theo nghiên cứu từ Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA), những ngôi sao siêu tốc là kết quả của sự hợp nhất thiên hà và sự tương tác giữa các hố đen khổng lồ với nhau, khiến chúng bị đá văng ra khỏi các thiên hà với tốc độ bằng một phần mười đến một phần ba tốc độ ánh sáng, tức là khoảng 30.000 đến 100.000 km/s.

Quá trình hình thành một ngôi sao siêu tốc độ.

Nhưng tất nhiên, thuyết này cũng đi kèm với vô số thách thức và một vài nhược điểm sau đây.

Ngoài việc cần phải chế tạo một chiếc tàu vũ trụ có khả năng tiếp cận vùng chân trời sự kiện của hố đen, chúng ta còn phải tính toán các thông số một cách cực kỳ chính xác - nếu không thì con tàu và phi hành đoàn (nếu có) sẽ biến mất vào hố đen bí ẩn.

“Bất lợi lớn nhất với chúng ta hiện nay là làm thế nào để tiếp cận một trong số những hố đen này. Tôi thường nghĩ về nó giống như một hệ thống đường cao tốc khi chúng ta di chuyển giữa các vì sao: Bạn chỉ phải trả phí một lần để đi trên đường cao tốc, nhưng một khi bạn đã đi xuyên qua dải ngân hà, thì bạn có thể đi thêm bao lâu tùy thích mà không tốn thêm một chút nhiên liệu nào.” Kipping cho biết.

Những thách thức mà con người gặp phải trong quá trình tiếp cận với hố đen vũ trụ gần nhất và phù hợp nhất sẽ là chủ đề trong báo cáo khoa học tiếp theo của giáo sư Kipping. Và dù những ý tưởng như là xây dựng một nghiên cứu Khối cầu Dyson hay là sử dụng năng lượng của hố đen để tăng tốc cho tàu vũ trụ nghe có vẻ xa vời, thì thực tế chúng vẫn đặt ra những khả năng khá thú vị cho tương lai.

Nói tóm lại, ý tưởng về một cỗ máy sử dụng trọng lực từ hố đen cho thấy con người hoàn toàn có khả năng hiện thực hóa những chuyến du hành liên sao của mình. Cùng với đó, nghiên cứu về khái niệm này cũng sẽ mở ra khả năng về các tín hiệu ngoài hành tinh lạ khác cho các nhà nghiên cứu tại SETI tham khảo.

Vì vậy, cho đến ngày con người có thể tự mình vận hành nghiên cứu này, chúng ta sẽ có thể biết được, liệu có những sinh vật sống khác, ở những thiên hà khác cũng đã cố gắng xây dựng và thành công một hệ thống như thế này hay chưa!