Dự án của Stephen Hawking: Lợi dụng hố đen để tăng tốc tàu vũ trụ lên gần vận tốc ánh sáng

Năm 2016, nhà vật lý thiên tài Stephen Hawking và tỷ phú Yuri Milner đã tạo ra một kế hoạch để con người khám phá vũ trụ nhanh hơn. Dự án đó có tên Breakthrough Starshot. Tỷ phú người Nga bỏ ra 100 triệu USD để tạo ra công nghệ tàu du hành vũ trụ đủ sức chạm tới những hệ mặt trời gần chúng ta. Trong số những mục tiêu tiềm năng của dự án này có Proxima Centauri, một mặt trời có vài vệ tinh xoay quanh, và trong số đó cũng có 1 hành tinh có điều kiện giống hệt như Trái đất. Hệ mặt trời này cách chúng ta 4,2 năm ánh sáng.



Quy đổi tạm ra kilomet. Khoảng cách đó tương đương 40 nghìn tỷ kilomet. Khoảng cách từ trái đất đến mặt trăng chỉ là 384.400 km mà thôi.

Động cơ laser

Kế hoạch của Hawking và Milner là tạo ra hàng ngàn “con tàu” nhỏ xíu cỡ con chip xử lý máy tính và dùng ánh sáng để tăng tốc cho chúng đến vận tốc tương đối, dần tiệm cận với vận tốc ánh sáng 300.000 km/giây. Hawking gọi những con tàu này là starchip. Mỗi starchip được gắn một cánh buồm kiêm pin mặt trời nhẹ, diện tích bằng cỡ sân cầu lông và phóng đi bằng tia laser.

Việc du hành vũ trụ bằng tia laser thay vì động cơ đẩy truyền thống có nhiều mặt lợi thế. Quan trọng nhất là con tàu sẽ không phải chứa lượng nhiên liệu khổng lồ, từ đó giảm trọng lượng tới mức tối đa. Thêm vào đó, laser cũng cho phép con tàu di chuyển với vận tốc 1/5 vận tốc ánh sáng. Theo lý thuyết, một con tàu starchip sẽ đến được Proxima Centauri trong khoảng thời gian dưới 30 năm.



Để phát triển được động cơ laser đủ mạnh và hoạt động bền bỉ liên tục 3 thập kỷ vừa tốn tiền, vừa khó thực hiện. Điều này dấy lên câu hỏi, liệu có cách nào chạm được tới vận tốc tương đối hay không?

Mượn “sức” của lỗ đen

Mới đây, David Kipping, một nhà thiên văn học tại đại học Columbia, New York đã đặt ra một giả thiết có thể thay đổi hàng không vũ trụ hoàn toàn. Kỹ thuật này biến con tàu vũ trụ trở thành một viên đạn, lấy trọng lực của những thiên thể trong vũ trụ để lấy đà di chuyển với vận tốc rất cao. Thực tế thì cách này không mới, vì trước đó NASA đã dùng phương pháp y hệt để phòng con tàu Galileo tới sao Mộc. Cộng cả vận tốc của động cơ đẩy với vận tốc di chuyển của một thiên thể trong vũ trụ, tàu thám hiểm có thể bay nhanh hơn rất nhiều.



Anh em chưa hình dung ra có thể nhớ lại phim “Người về từ sao hỏa” có Matt Damon thủ vai chính. Con tàu Hermes đáng lẽ ra về trái đất, nhưng sau khi được tàu Trung Quốc cấp viện, đã bay vòng quanh trái đất để “lấy đà” quay lại sao Hỏa cứu nhân vật chính. Ý tưởng du hành vũ trụ của David Kipping cũng giống hệt như thế, nhưng táo bạo ở chỗ, tàu thám hiểm không gian hoàn toàn có thể bay vòng qua lỗ đen để di chuyển ở vận tốc tương đối. Những năm 60, nhà vật lý Freeman Dyson đã tính toán được điều này, nhưng khi ấy tàu vũ trụ cũng sẽ tan nát vì lực tác động từ lỗ đen lên con tàu sẽ rất lớn.

Để tránh tình trạng này, Kipping đưa ra một chút thay đổi. Con tàu sẽ bắn những chùm tia photon vào khu vực xung quanh lỗ đen và biến nó thành một con đường hào quang cho tàu vũ trụ tăng tốc: “Động năng từ lỗ đen chuyển tới chùm tia photon sẽ giúp con tàu không chỉ tăng tốc nhanh hơn mà còn ‘sạc’ luôn cho cả pin mặt trời của tàu nữa.” Quá trình này được minh họa bằng hình vẽ vui dưới này, lấy con tàu Millennium Falcon trong Star Wars làm ví dụ:


Quá trình này phụ thuộc vào nguồn trọng lực rất mạnh, mà lỗ đen là một ví dụ. Chùm tia photon có khối lượng cụ thể, nhỏ nhưng đo được, vì thế nên nó có thể giữ lại được ánh sáng, và cả động năng từ lỗ đen vũ trụ. Chùm tia photon này được bắn ra xung quanh khu vực lỗ đen và được tàu vũ trụ thu nạp lại để tăng tốc, giống như boomerang vậy.

Đổi lại, những con tàu muốn di chuyển theo cách này sẽ phải có cánh buồm pin năng lượng mặt trời với thiết kế hợp lý, và kích thước của tàu vũ trụ sẽ phải nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hố đen. May thay, vì hố đen thường là những thể khổng lồ, nên một con tàu vũ trụ với kích thước to bằng trái đất vẫn sẽ thực hiện được phương pháp này. Tương tự, cách này cũng có thể dùng để giảm tốc cho tàu vũ trụ.



Điều này có nghĩa là, trong tương lai xa, con người sẽ có thể di chuyển từ thiên hà này sang thiên hà khác, từ hệ mặt trời này sang hệ mặt trời khác y hệt như trong phim viễn tưởng, mà lại còn vô cùng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nữa. Những lỗ đen sẽ là điểm mấu chốt để tạo ra hệ thống đường cao tốc trong vũ trụ.

Thiên hà Milky Way chứa hệ mặt trời của chúng ta hiện tại có khoảng 10 tỷ hố đen, nhưng không phải hố đen nào cũng hợp lý để làm điểm tựa tăng tốc.