Hình dung này cho thấy hai lỗ đen hợp nhất, có tốc độ lớn có thể mang lại sự tăng cường cho ánh sáng laser xoay quanh chúng.
(Ảnh: © Trung tâm bay không gian Goddard của NASA)
Tàu vũ trụ trong tương lai có thể sử dụng các lỗ đen làm bệ phóng mạnh mẽ để khám phá các ngôi sao.
Một nghiên cứu mới hình dung ra các chùm tia laser sẽ uốn quanh một lỗ đen và quay trở lại với năng lượng bổ sung để giúp đẩy tàu vũ trụ tới gần tốc độ ánh sáng. Các nhà thiên văn học có thể tìm kiếm các dấu hiệu cho thấy các nền văn minh ngoài hành tinh đang sử dụng một "ổ hào quang" như nghiên cứu đặt tên cho nó, bằng cách xem liệu các cặp lỗ đen có hợp nhất thường xuyên hơn dự kiến hay không.
Tác giả nghiên cứu David Kipping, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Columbia ở New York, đã đưa ra ý tưởng về ổ hào quang thông qua cái mà ông gọi là "suy nghĩ của game thủ".
"Đôi khi, trong một trò chơi trên máy tính, bạn tìm thấy một 'khai thác', một bản hack cho phép bạn làm điều gì đó bị áp đảo mà nếu không sẽ bị cấm bởi các quy tắc của trò chơi," Kipping nói với Space.com. "Trong trường hợp này, trò chơi là thế giới vật chất. Tôi đã cố gắng nghĩ về việc khai thác sẽ cho phép một nền văn minh đạt được chuyến bay tương đối qua lại trong thiên hà mà không phải trả chi phí năng lượng khổng lồ mà người ta có thể giả định."
Một thách thức chính đối với việc sử dụng tên lửa để bay trong không gian là chất đẩy họ mang theo bên mình có khối lượng. Những chuyến đi dài cần rất nhiều nhiên liệu, khiến cho tên lửa trở nên nặng nề, do đó cần nhiều nhiên liệu hơn, khiến tên lửa càng nặng hơn, v.v. Vấn đề đó trở nên tồi tệ hơn theo cấp số nhân khi tên lửa càng lớn.
Tuy nhiên, thay vì mang theo nhiên liệu đẩy cho lực đẩy, tàu vũ trụ được trang bị cánh buồm giống như gương có thể dựa vào tia laser để đẩy chúng ra ngoài. 100 triệu đô la Sáng kiến đột phá Starshot, được công bố vào năm 2016, có kế hoạch sử dụng tia laser mạnh mẽ để đẩy các tàu vũ trụ tới Alpha Centauri, hệ thống sao gần nhất với chính chúng ta, với tốc độ ánh sáng lên tới 20%.
Các tàu vũ trụ mà Đột phá Starshot nhắm tới để phóng mỗi chiếc chỉ có kích cỡ bằng một con vi mạch. Để tăng tốc các tàu vũ trụ lớn hơn tới tốc độ tương đối tính - đến một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng - Kipping đã tìm kiếm sự trợ giúp của trọng lực.
Tàu vũ trụ hiện nay thường xuyên sử dụng "súng cao su", trong đó trọng lực của một cơ thể, chẳng hạn như một hành tinh hoặc mặt trăng, ném các tàu qua không gian và tăng tốc độ của chúng. Năm 1963, nhà vật lý nổi tiếng Freeman Dyson cho rằng tàu vũ trụ có kích thước bất kỳ có thể dựa vào các khẩu súng cao su xung quanh các cặp sao lùn trắng hoặc sao neutron nhỏ gọn để bay với tốc độ tương đối tính. (Dyson đã đưa ra khái niệm về cái được gọi là Quả cầu Dyson, một cơ sở hạ tầng đóng gói một ngôi sao để thu được càng nhiều năng lượng càng tốt để cung cấp năng lượng cho một nền văn minh tiên tiến.)
Tuy nhiên, "súng cao su Dyson" có nguy cơ làm hỏng tàu vũ trụ thông qua lực hấp dẫn cực độ và bức xạ nguy hiểm từ những cặp sao chết đó. Thay vào đó, Kipping cho rằng lực hấp dẫn có thể hỗ trợ tàu vũ trụ bằng cách tăng năng lượng của các chùm tia laser bắn vào các cạnh của lỗ đen.
Các lỗ đen sở hữu các trường hấp dẫn mạnh mẽ đến mức không gì có thể thoát khỏi chúng một khi nó đủ gần, thậm chí không sáng. Các trường hấp dẫn của chúng cũng có thể làm biến dạng các đường đi của photon ánh sáng không rơi vào các lỗ.
Vào năm 1993, nhà vật lý học Mark Stuckey cho rằng về nguyên tắc, một lỗ đen có thể hoạt động giống như một "gương hấp dẫn", trong đó lực hấp dẫn của lỗ đen có thể bắn ra một photon xung quanh để nó bay ngược về nguồn của nó. Kipping tính toán rằng nếu một lỗ đen đang di chuyển về phía nguồn của photon, thì "boomerang photon" sẽ hút đi một phần năng lượng của lỗ đen.
Sử dụng cái mà anh ta gọi là "ổ hào quang" - được đặt tên cho vòng ánh sáng mà nó sẽ tạo ra xung quanh lỗ đen - Kipping nhận thấy rằng ngay cả tàu vũ trụ với khối lượng Sao Mộc cũng có thể đạt được tốc độ tương đối tính. "Một nền văn minh có thể khai thác các lỗ đen như các điểm mốc thiên hà", ông viết trong một nghiên cứu được Tạp chí của Hiệp hội liên hành tinh Anh chấp nhận và chi tiết trực tuyến vào ngày 28 tháng 2 trong máy chủ in sẵn arXiv.
Lỗ đen di chuyển càng nhanh, ổ hào quang có thể lấy năng lượng từ nó càng nhiều. Do đó, Kipping chủ yếu tập trung vào việc sử dụng các cặp lỗ đen xoắn ốc với nhau trước khi sáp nhập.
Các nhà thiên văn học có thể tìm kiếm các dấu hiệu cho thấy các nền văn minh ngoài hành tinh đang khai thác các cặp hố đen để di chuyển bằng một động cơ như vậy. Ví dụ, các ổ hào quang sẽ đánh cắp năng lượng một cách hiệu quả từ đó hệ thống lỗ đen nhị phân, tăng tốc độ mà các cặp lỗ đen hợp nhất trên mức mà người ta mong đợi sẽ thấy một cách tự nhiên, Kipping nói.
Phát hiện của ông dựa trên sự gia tăng từ các cặp lỗ đen quay quanh nhau với tốc độ tương đối tính. Mặc dù có khoảng 10 triệu cặp lỗ đen trong Dải Ngân hà, Kipping lưu ý rằng rất ít trong số chúng có khả năng quay quanh với tốc độ tương đối lâu, vì chúng sẽ hợp nhất khá nhanh.
Tuy nhiên, ông lưu ý rằng các lỗ đen bị cô lập, quay tròn cũng có thể phóng các ổ quầng với tốc độ tương đối tính, "và chúng ta đã biết rất nhiều ví dụ về các lỗ đen siêu khối tương đối tính, tương đối".
Hạn chế lớn của ổ đĩa hào quang là "người ta phải di chuyển đến lỗ đen gần nhất", Kipping nói. "Nó giống như trả một khoản phí một lần để đi hệ thống đường cao tốc. Bạn phải trả một số năng lượng để đến điểm truy cập gần nhất, nhưng sau đó, bạn có thể đi xe miễn phí bao lâu tùy thích."
Ổ đĩa quầng chỉ hoạt động gần với lỗ đen, ở khoảng cách khoảng năm đến 50 lần đường kính của lỗ đen. "Đây là lý do tại sao bạn phải di chuyển đến lỗ đen gần nhất trước tiên và [tại sao bạn] không thể đơn giản làm điều này trong nhiều năm không gian," Kipping nói. "Trước tiên chúng tôi vẫn cần một phương tiện để đi đến các ngôi sao gần đó để đi hệ thống đường cao tốc.
"Nếu chúng tôi muốn đạt được chuyến bay tương đối tính, cần có mức năng lượng to lớn cho dù bạn sử dụng hệ thống đẩy nào," ông nói thêm. "Một cách để khắc phục điều này là sử dụng các vật thể thiên văn làm nguồn năng lượng của bạn, vì chúng sở hữu theo nghĩa đen mức năng lượng thiên văn trong họ. Trong trường hợp này, nhị phân lỗ đen thực chất là một cục pin khổng lồ đang chờ chúng ta khai thác. Ý tưởng là làm việc với thiên nhiên và không chống lại nó. "
Kipping hiện đang nghiên cứu các cách để khai thác các hệ thống thiên văn khác cho chuyến bay tương đối tính. Các kỹ thuật như vậy "có thể không hoàn toàn hiệu quả hoặc nhanh như phương pháp lái xe hào quang, nhưng các hệ thống này có dự trữ năng lượng sâu cần thiết cho những hành trình này", Kipping nói.
- Thợ săn Cataclysm: Tìm kiếm lỗ đen kép
- Va chạm lỗ đen đôi được phát hiện bởi máy dò sóng hấp dẫn
- Laser Propuls: Wild Idea Cuối cùng có thể tỏa sáng
