Một sứ mệnh hướng tới lỗ đen thì sẽ trông như thế nào?

Một thế kỷ kể từ bây giờ, một đôi tàu vũ trụ có thể sẽ Du cảm đi đến nơi mà chưa có vật thể nhân tạo nào từng đến trước đây.

Tàu du hành 2 đã đi xa hơn bất kỳ tàu vũ trụ nào. Nó cách xa hơn 12,4 tỷ đập (20 tỷ km), ngay bên ngoài rìa mặt trời của chúng ta.

Nhưng nhà vật lý thiên văn Cosimo Bambi của Đại học Fudan đã suy nghĩ về cách chúng ta có thể nghiên cứu lỗi đen trong một thế hệ nữa: bằng cách gửi tàu vũ trụ siêu nhỏ trong một chuyến đi liên sao kéo dài hàng thu thập kỷ đến một lỗi gần đó. Khi ở đường đạo xung quanh một lỗi đen, một tàu vũ trụ không lớn hơn một chiếc kẹp giấy có thể kiểm tra những ý tưởng lớn nhất của họ về cách vũ trụ hoạt động.

Đặt đối thoại tương thích vào cuối bài kiểm tra

Nếu Bambi thành công, thì 20 hoặc 30 năm kể từ bây giờ, một tàu nano (tàu vũ trụ nano) — một tàu vũ trụ nhỏ xíu, chỉ nặng một vài gram — sẽ mở ra một cánh cánh ánh sáng rộng 33 foot (10 mét) trên quỹ đạo Trái Đất tầm thấp. Năng lượng tia laser cao trên Trái đất sẽ chiếu vào cánh chim bằng ánh sáng rực rỡ, và ứng dụng hiệu suất của các photon đó sẽ tăng tốc độ vũ trụ lên khoảng ba phần tốc độ ánh sáng chỉ trong vài phút. Trong 75 năm tiếp theo, con tàu nhỏ bé sẽ bỏ qua phần mở rộng lớn của không gian để gỡ bỏ một trong những vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ của chúng ta: một lỗi.

Nhà vật lý nghĩ rằng khu vực có sức mạnh cực lớn gần chúng tôi có thể là nơi duy nhất trong vũ trụ mà thuyết tương tranh rộng rãi (lý thuyết mô tả cấu trúc cấu trúc của vũ trụ trụ ta, không – thời gian, và cách năng lực hoạt động đến nó) đã bị phá vỡ. Nhưng chúng ta sẽ không biết chắc điều đó cho đến khi chúng ta thực sự có thể đo được những gì xảy ra gần của nó. Đó là điều mà Bambi hy vọng ý tưởng đầy tham vọng của mình sẽ đạt được.

Ở đây trong hệ mặt trời của chúng ta, chúng ta đã đo được khối lượng của các hành tinh và mặt trăng bằng cách theo dõi sự thay đổi quỹ đạo của một tàu vũ trụ dưới sức hút hấp dẫn của chúng. Bambi nói rằng họ có thể đo được sức mạnh của lỗi đen theo cùng một cách — chỉ với tàu vũ trụ nhỏ hơn nhiều.

Khi nanocraft cuối cùng tiếp theo gặp lỗi đen, nó sẽ giải phóng ít nhất một — hoặc có thể là một số — nanocraft còn nhỏ hơn nữa. Đoàn tàu vũ trụ cỡ côn trùng này sẽ hoặc giảm tốc độ đủ để được hút vào đạo đạo (bằng cách nào đó), hoặc là bay phục vụ qua lỗi. Dù bằng cách nào, nguyên tắc vẫn như nhau: Tàu mẹ theo dõi tín hiệu radio từ những “đứa con” Dũng cảm của nó. Đường đi của họ sẽ phác thảo cách không thời gian cong và các dạng ở khu vực gần lỗi. Khi tín hiệu của nanocraft đến Trái đất vào năm 25 sau đó, các nhà khoa học có thể so sánh dữ liệu của nó với những kỳ vọng của các thuyết tương đối rộng và các mô hình khác. Và sau đó, một thế kỷ sau khi phóng khoáng, chúng ta sẽ biết các tài liệu của các mô hình của chúng ta về cách vũ trụ hoạt động vẫn còn đúng ngay cả dưới sức ép căng thẳng tăng tốc của một điểm bất kỳ hay không.

Làm cách nào để “chèo thuyền” đến một lỗi đen

Bambi nói với tạp chí Astronomy về bài báo gần đây của ông: “Đây chỉ là một ý tưởng rất mơ hồ, vì vậy có nhiều điều cần thảo luận.” ” Nó mang tính chất kích thích cộng đồng thảo luận về khả năng này nhiều hơn.” Nhưng đã có thể hình dung thành dạng tổng thể của sứ mệnh.

Hãy hình dung một cánh buồm làm từ vài mét vuông vật liệu chuyên dụng, được mở ra phía trước một tàu vũ trụ siêu nhỏ về cơ bản là một con chip máy tính kèm theo một bộ thu phát radio tí hon. Đó là nanocraft mà Bambi hy vọng các nhà khoa học một ngày nào đó sẽ gửi đi để thăm dò trọng lực của lỗ đen.

Tối thiểu, nanocraft liên sao sẽ phải có khả năng giữ thời gian (để chúng biết khi nào đã đến đích), cũng như gửi và nhận tín hiệu radio. Nhưng việc đóng gói nhiều hơn thế lên một tàu vũ trụ được thiết kế để được đẩy đến tốc độ tương đối tính bằng cánh buồm ánh sáng sẽ cực kỳ không thực tế. Kevin Parkin, nhà vật lý và kỹ sư, người điều hành Trung tâm Thiết kế Sứ mệnh tại NASA Ames và từng làm việc trong dự án Tàu vũ trụ 100 năm của NASA, nói với Astronomy: “Đẩy một máy ảnh thông thường bằng cánh buồm ánh sáng giống như cố gắng nâng một viên gạch trên giấy lụa.”

Và ngay cả thiết lập cơ bản đó cũng cần được thu nhỏ vượt xa những gì công nghệ hiện tại có thể đạt được — và được thiết kế để sống sót qua bức xạ khắc nghiệt và cái lạnh sâu của không gian liên sao. Một số mảnh ghép của câu đố, như hệ thống điện cho nanocraft và thậm chí có thể là một máy ảnh, có thể được tích hợp vào các lớp vật liệu tạo nên cánh buồm ánh sáng, sử dụng thứ gọi là mảng pha quang học (optical phased array). Nhưng công nghệ cụ thể đó vẫn là điều mà Parkin gọi là “vật lý đã biết nhưng kỹ thuật chưa biết.” Nói cách khác, chúng ta hiểu cách mô tả nó bằng các phương trình, và nó có thể khả thi về mặt vật lý, nhưng chưa ai tìm ra cách chế tạo nó.

Và sau đó là các tia laser. Bambi ước tính rằng nếu chúng ta xây dựng một mảng laser đủ năng lượng để đẩy một nanocraft vào không gian với tốc độ một phần ba tốc độ ánh sáng, chi phí sẽ vào khoảng 1 nghìn tỷ euro. Dựa trên xu hướng chung của chi phí laser (giá mỗi watt giảm một nửa sau mỗi bốn năm), giá có thể giảm xuống khoảng một tỷ euro trong 30 năm. Điều đó phù hợp hơn với ngân sách của các sứ mệnh không gian lớn ngày nay.

Nói tóm lại, Bambi ước tính rằng chúng ta còn khoảng 20 đến 30 năm nữa mới có công nghệ cho sứ mệnh lỗ đen mà ông đề xuất — nhưng ông nghĩ đó chỉ là vấn đề thời gian. Đặc biệt là nếu chúng ta thực sự có thể tìm thấy một lỗ đen gần đó.

Đầu tiên, chúng ta phải tìm thấy nó

Trong bài báo gần đây của mình, Bambi gợi ý rằng các sứ mệnh như Breakthrough Starshot, hoặc các sứ mệnh khác được thiết kế để thăm các ngoại hành tinh tương đối gần, có lẽ sẽ được phóng trước khi bất kỳ ai gửi nanocraft đến một lỗ đen. Một phần, đó là vì khoảng cách (và tốc độ cần thiết) lớn hơn nhiều, và vì khó thiết kế một tàu vũ trụ cho bức xạ và trọng lực quanh một lỗ đen hơn. Và một phần, đó là vì các sứ mệnh đó có thứ mà ý tưởng về lỗ đen của ông vẫn chưa có: một mục tiêu.

Lỗ đen gần nhất mà chúng ta biết hiện tại cách xa 1.560 năm ánh sáng. Có lẽ có một lỗ đen đang ẩn nấp trong vòng 25 năm ánh sáng của Trái Đất, nhưng vấn đề là chúng ta vẫn chưa tìm thấy nó. Bambi nói rằng điều đó có thể thay đổi trong thập kỷ tới.

Các nhà vật lý thiên văn ước tính rằng thiên hà của chúng ta chứa một lỗ đen và 10 sao lùn trắng cho mỗi 100 ngôi sao “bình thường”. Dựa trên số lượng sao trong khu vực lân cận của Dải Ngân Hà của chúng ta, và những gì các nhà vật lý thiên văn biết về vòng đời của các ngôi sao khối lượng lớn, có khả năng là có một lỗ đen chưa được khám phá không quá xa. Tuy nhiên, các lỗ đen nổi tiếng là khó phát hiện vì chúng là những khu vực mà không có ánh sáng nào thoát ra được.

Khi làm việc cùng nhau, một số kính thiên văn tiên tiến nhất thế giới có thể phát hiện ra những dấu vết mờ nhạt của bức xạ được giải phóng bởi vật chất bị kéo vào lỗ đen, ngay cả khi nó đang hấp thụ vật chất thưa thớt trong không gian liên sao. Đội hình thiên văn mơ ước đó bao gồm Kính viễn vọng Không gian James Webb và Square Kilometer Array (hai mảng đĩa radio trải rộng trên các vùng đất rộng lớn ở Úc và Nam Phi), cùng với ALMA (the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ở Chile.

Các nhà thiên văn học cũng có thể phát hiện một lỗ đen chia sẻ quỹ đạo với một ngôi sao theo cách tương tự như cách họ phát hiện một số ngoại hành tinh: bằng cách đo những dao động nhẹ trong quỹ đạo của ngôi sao, gây ra bởi lực kéo hấp dẫn của vật thể đồng hành. Các lỗ đen trôi dạt một mình trong thiên hà, không có ngôi sao đồng hành, có thể được tiết lộ bằng cách trọng lực khổng lồ của chúng bẻ cong ánh sáng từ các ngôi sao ở phía sau; đó là cách các nhà thiên văn học phát hiện ra lỗ đen OGLE-2011-13LG-0462 (một cái tên gần như dày đặc như chính vật thể đó) hơn một thập kỷ trước.

Bambi nói với Astronomy: “Nếu chúng ta tìm thấy một lỗ đen không quá xa, tôi nghĩ cộng đồng khoa học có thể quan tâm thảo luận, được rồi, liệu chúng ta có thực sự có thể gửi một tàu thăm dò đến vật thể này không?”

Chào mừng đến với Kỷ nguyên Thuyền buồm Du hành Vũ trụ

Ý tưởng sử dụng cánh buồm ánh sáng để hứng các tia laser và đẩy một con chip máy tính vào không gian liên sao không phải là mới. Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã sử dụng cánh buồm ánh sáng để đẩy tàu vũ trụ IKAROS của mình bay qua Sao Kim vào năm 2010, và vào năm 2019, Hiệp hội Hành tinh đã gửi một cubesat chạy bằng cánh buồm có tên LightSail-2 vào quỹ đạo Trái Đất tầm thấp. Cả hai dự án này đều mang khối lượng lớn hơn đáng kể so với nanocraft (LightSail-2 nặng khoảng 13 pound [6 kg], và IKAROS khoảng 121 pound [55 kg]), và cả hai đều sử dụng ánh sáng mặt trời, chứ không phải laser, để làm đầy cánh buồm của chúng. Tất nhiên, không có sứ mệnh nào trong số này di chuyển ở tốc độ gần bằng một phần ba tốc độ ánh sáng, vì vậy chúng có thể mang khối lượng lớn hơn và ít năng lượng hơn.

Từ năm 2016, Breakthrough Starshot, một dự án tâm huyết của nhà vật lý trở thành doanh nghiệp nhân tỷ lệ giàu có, đã và đang phát triển nanocraft chạy bằng cánh cánh ánh sáng. Mục tiêu của dự án là phóng một đội vũ trụ nhỏ bé này đến Alpha Centauri vào cuối năm 2030. (Nhà vật lý quá cố Stephen Hawking là thành viên hội đồng quản trị, cũng như Giám đốc điều hành Meta Mark Zuckerberg và nhà vật lý thiên văn Harvard và người đam mê thăm dò ngoài hành tinh Avi Loeb) Nhưng ý tưởng cơ bản đã được bàn tán trong vật lý thiên văn và du hành vũ trụ từ những năm 1970, theo Bambi.

Khái niệm này đã được quan tâm hơn trong một hoặc hai thập kỷ qua nhờ vào việc phát hiện các hệ ngoại hành tinh trong phạm vi một vài năm ánh sáng từ Trái Đất. Bambi nói: “Chỉ trong 10 hoặc 15 năm qua [bất kỳ ai], đặc biệt là cộng đồng ngoại hành tinh, mới quan tâm đến loại tàu vũ trụ này, bởi vì lúc đó chúng ta biết rằng có một số hệ sao không quá xa chúng ta.” “Nếu bạn có thể thực hiện điều này với các ngoại hành tinh, tại sao chúng ta không thể thực hiện điều này ngay với các lỗi đen?”

Theo Astronomy.com

Hội Thiên Văn Hà Nội (HAS)

Dịch và biên tập: Nguyễn Mạnh

Comments

comments