می‌توان از سیاهچاله برای تأمین انرژی سفرهای بین‌ستاره‌ای استفاده کرد؟

آرزوی سفر به منظومه‌های ستاره‌ای دیگر حتی قبل از پرتاب اولین موشک‌ها و فضانوردها به فضا، رؤیای دیرینه‌ی بسیاری از افراد بوده است. گفتنی است با وجود پیشرفت‌های فراوان از آغاز عصر فضا، سفرهای بین⁢‌ستاره‌ای فقط درحد رویا باقی مانده‌⁢اند. با اینکه مفاهیم تئوری متعددی برای این قبیل سفر⁢ها تعریف شده⁢‌اند، مشکلاتی مثل هزینه و زمان سفر و سوخت هنوزهم به قوت خود باقی هستند.

بسیاری از دانشمندان امیدوارند از انرژی هدایت⁢‌شده و بادبان⁢‌های خورشیدی برای رساندن سرعت فضاپیماهای کوچک به سرعت نور استفاده کنند؛ اما شاید راهی دیگر برای ساخت فضاپیماهای بزرگ و سریع و مسافرت⁢‌های بین⁢‌ستاره⁢‌ای وجود داشته باشد.

به‌نقل از دیوید کیپینگ، رئیس آزمایشگاه کول وردز (Cool Worlds) دانشگاه کلمبیا، فضاپیماهای آینده به نیروی رانش هاله‌⁢ای وابسته هستند و از نیروی جاذبه⁢‌ی سیاه‌چاله برای رسیدن به سرعت⁢‌های چشمگیر استفاده می‌⁢کنند. کیپینگ در پژوهش اخیر خود، این مفهوم را توصیف کرده که نسخه⁢‌ی اولیه‌ی آن در وب‌⁢سایت کول وردز موجود است.

در این تعریف، کیپینگ بزرگ‌ترین مسئله‌ی اکتشافات فضایی، یعنی زمان و انرژی لازم برای ارسال فضاپیما به مأموریت اکتشافی فراخورشید را توصیف می‌کند. او می‌گوید:

سفرهای بین⁢‌ستاره‌ای یکی از مسائل مهم‌ و برجسته‌‌ی پیش روی ما هستند. با این روش، می‌توانیم بین ستاره‌ها در فاصله‌ی صدها میلیون سال نوری سفر کنیم و به سفرهایی در مقیاس‌های زمانی کمتر با سوخت کمتر برسیم.

_{اوریون پروژه‌ای برای ساخت فضاپیمایی بود که پیشرانه‌ی آن از انفجار بمب اتمی تأمین می‌شود}

به‌گفته‌ی کیپینگ، پیشرانه‌ی نسبیتی که سرعت آن برابر با کسری از سرعت نور است، ازنظر انرژی بسیار پرهزینه است. ظرفیت سوخت فضاپیماهای موجود برای رسیدن به چنین سرعتی و نیروی انفجاری آن‌ها برای ایجاد پیشرانه کافی نیست و به گزینه‌های موجود هم نمی‌توان اتکا کرد.

در سال‌های گذشته، توجه بسیاری به ایده‌ی استفاده از بادبان‌های خورشیدی و شناورهای نانو برای مأموریت‌های بین⁢‌ستاره‌ای جلب شده است. یکی از پروژه‌های شناخته‌شده در این⁢ حوزه Breakthrough Starshot است که با هدف ارسال فضاپیماهای هوشمند در اندازه‌ی تلفن‌همراه به منظومه‌ی آلفا قنطورس در محدوده‌ی عمر انسان آغاز شده است.

بادبان⁢‌های خورشیدی ازطریق آرایه‌ی لیزری قدرتمند به بیش از ۲۰ درصد سرعت نور می‌رسند؛ درنتیجه، این سفر در مدت ۲۰ سال امکان‌پذیر خواهد شد. کیپینگ می‌گوید:

حتی چنین فضاپیماهایی هم به چندین تراژول انرژی نیاز دارند. این میزان برابر با انرژی کل نیروگاه⁢‌های هسته‌⁢ای است که تنها چند هفته دوام می⁢‌آورد؛ درنتیجه، راهی برای ذخیره⁢‌سازی این میزان انرژی هم وجود ندارد و همین مسئله کار را برایمان سخت⁢‌تر می‌⁢کند.

کیپینگ برای این منظور نسخه‌⁢ی تغییریافته⁢‌ی Dyson Slingshot، روش پیشنهادی برای شتاب‌گیری فضاپیما را ارائه می‌⁢کند. این روش را فریمن دایسون، فیزیک‌⁢دان تئوری، پیشنهاد داده است. دایسون در کتاب خود با عنوان «روابط بین⁢‌ستاره‌⁢ای» نشان می⁢‌دهد فضاپیما می‌⁢تواند با چرخش دور ستارگان دودویی فشرده، به سرعت اولیه⁢‌ی لازم برسد.

طبق تعریف دایسون، فضاپیما با حرکت به‌سمت منظومه⁢‌ی ستاره⁢‌ی دودویی و حرکت در اطراف این ستاره‌⁢ها، می‌تواند به‌سرعت مدنظر برسد. درنتیجه، فضاپیما قبل از بیرون‌رفتن از منظومه‌ی ستاره‌ای، ازطریق جاذبه‌ی شدید آن‌ها، به سرعت مناسب می‌رسد؛ یعنی دوبرابر سرعت چرخش ستارگان به دور خود. شایان ذکر است ستاره‌ی دودویی دو ستاره⁢‌ی نوترونی هستند که حول یکدیگر می⁢‌چرخند.

چشم‌انداز رسیدن به چنین سرعتی برای پیشرانه، در زمان دایسون بیشتر درحد تئوری بود و هنوزهم همین‌طور است؛ اما دایسون دو دلیل برای ارزش بررسی ماشین‌های گرانشی برشمرده است:

در درجه‌ی اول، اگر پیشرانه و فناوری فضاپیما با نرخ نمایی رشد کند، زمانی خواهد رسید که مهندسی در مقیاس نجومی امکان‌پذیر و ضروری خواهد شد. در درجه‌ی دوم، اگر به‌دنبال جست‌وجوی علائم پیشرفته‌ی حیات در بخش دیگری از کیهان باشیم، در ابتدا باید به قابلیت‌های این فناوری⁢ پیشرفته پی ببریم.

به‌طور خلاصه، ممکن است ماشین‌های گرانشی روزی به واقعیت تبدیل شوند؛ ازاین‌رو، ارزش بررسی را دارند. همچنین، می‌توان ازطریق شواهد فناوری و ماشین‌⁢های فرازمینی، هوش فرازمینی احتمالی (ETIها) را تشخیص داد.

برهمین‌اساس، کیپینگ نشان می‌⁢دهد سیاه‌چاله⁢ها، به‌ویژه سیاه‌چاله⁢‌ها در ستاره⁢‌های دودویی، منبع جاذبه⁢‌ی قدرتمندی را برای این سفرها می⁢‌توانند فراهم کنند. بخشی از این طرح پیشنهادی، مدیون موفقیت اخیر رصدخانه⁢‌ی LIGO، رصدخانه⁢‌ی امواج گرانشی تداخل⁢‌سنج است که از سال ۲۰۱۶، موفق شد امواج گرانشی متعددی دریافت کند.

براساس تخمین‌⁢های اخیر، ممکن است به‌تنهایی ۱۰۰ میلیون سیاه‌چاله در کهکشان راه‌⁢شیری وجود داشته باشد. از برخورد ستارگان دودویی مقادیر چشمگیر انرژی چرخشی آزاد می‌⁢شود که نتیجه‌ی چرخش سریع ستارگان به دور یکدیگر است.

علاوه‌بر این، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به‌مثابه آینه‌ی گرانشی عمل کنند که در آن، فوتون‌های هدایت‌شده به‌سمت افق لبه‌ی رویداد خم می‌شوند و در مبدأ باردیگر صاف می⁢‌شوند. کیپینگ ادامه می‌⁢دهد:

سیاه‌چاله⁢‌ی دودویی مانند زوج آینه⁢‌ی غول‌آسایی است که با سرعت اولیه⁢‌ی بسیار زیاد حول یکدیگر می⁢‌چرخند. رانش هاله‌‌ای (Halo Drive) از نوسان فوتون⁢‌ها از آینه (با نزدیک‌شدن آینه) و بازگشت فوتون⁢‌ها استفاده می⁢‌کند؛ ولی بخشی از انرژی را هم از خود سیاه‌چاله⁢‌ی دودویی می⁢‌گیرد (فرض کنید توپ پینگ⁢‌پنگ به‌سمت دیوار پرتاب شود و با سرعت بیشتری به‌سمتتان بازگردد). بدین‌ترتیب، می‌⁢توان از انرژی سیاه‌چاله‌⁢ی دودویی برای پیشرانه استفاده کرد.

این روش پیشرانه مزیت⁢‌های واضحی دارد. برای مثال، می⁢‌توان بدون نیاز به سوخت، سوختی که بخش زیادی از جرم فضاپیما را تشکیل می‌⁢دهد، با سرعت⁢‌های نسبیتی سفر کرد.

علاوه‌براین، تعداد زیادی سیاه‌چاله در کل راه‌⁢شیری وجود دارد که می‌⁢توان به‌عنوان شبکه‌⁢ی نسبیتی سفر فضایی روی آن‌⁢ها حساب کرد. گفتنی است دانشمندان قبلا به‌لطف کشف ستاره⁢‌های پرسرعت، قدرت امواج گرانشی را شاهد بوده‌⁢اند.

براساس پژوهش⁢های مرکز اخترفیزیک هاروارد، اسمیتسونیان (CfA)، این ستارگان نتیجه⁢‌ی ادغام⁢‌کنندگان کهکشانی و برخورد با سیاه‌چاله⁢‌هایی سنگین هستند که با سرعت یک‌دهم تا یک‌سوم سرعت نور (۳۰,۰۰۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ کیلومتربرثانیه) از کهکشان‌⁢های خود بیرون انداخته شده⁢‌اند.

البته، این مفهوم با مشکلات و معایب متعددی هم همراه است. علاوه‌بر ساخت فضاپیمایی که توانایی پرواز نزدیک به افق رویداد سیاه‌چاله را داشته باشد، دقت زیادی برای این کار لازم است. درغیر این‌صورت، ممکن است فضاپیما و کارکنان آن در سیاه‌چاله نابود شوند. علاوه‌براین، مسئله‌ی مهم دیگری هم وجود دارد.

یکی از معایب این نظریه رسیدن به یکی از سیاه‌چاله‌⁢ها است. در ابتدا باید از آزادراه بین⁢‌ستاره⁢‌ای عبور کرد و با رسیدن به هر سیاه‌چاله‌ای می‌⁢توان بدون نیاز به سوخت زیاد، در کل کهکشان سفر کرد.

مشکل انسان برای رسیدن به نزدیک‌⁢ترین سیاه‌چاله، موضوع مقاله⁢‌ی بعدی کیپینگ است. با اینکه انسان از نظریه⁢‌ی ساخت کره‌⁢ی دایسون یا استفاده از سیاه‌چاله برای تقویت توان فضاپیماها فاصله⁢‌ی زیادی دارد، این نظریه پیش‌گویی هیجان⁢‌انگیزی از آینده است. به‌طور خلاصه، مفهوم ماشین گرانشی سیاه‌چاله مسیر انسان برای تبدیل به گونه⁢‌های بین‌⁢ستاره⁢‌ای را هموار می⁢‌سازد. در‌حال‌حاضر، دانشمندان به‌دنبال بررسی فناوری فرازمینی در فضا هستند.