Từ thuở sơ khai, trước khi những tên lửa và nhà du hành vũ trụ đầu tiên được phóng vào không gian, con người đã luôn ấp ủ giấc mơ đặt chân lên các hành tinh khác. Dù chúng ta đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể kể từ khi kỷ nguyên vũ trụ bắt đầu, du hành giữa các vì sao vẫn còn là một giấc mơ xa vời. Bên cạnh những khái niệm lý thuyết đã được đưa ra, trên thực tế, vẫn còn rất nhiều vấn đề về chi phí, thời gian di chuyển và nhiên liệu mà chúng ta cần giải quyết. Hiện tại, có nhiều tranh luận xoay quanh việc liệu có thể sử dụng trực tiếp năng lượng và công nghệ buồm ánh sáng, một vật thể lớn nhận ánh sáng tập trung để đẩy tàu vũ trụ đi, giống như cách gió đưa thuyền ra biển, để đẩy các tàu vũ trụ nhỏ đến tốc độ tương đối.
Nhưng nếu có một cách khác, thậm chí có thể làm cho các tàu vũ trụ lớn hơn, di chuyển với tốc độ đủ nhanh, thì sao? Liệu có thể thực hiện những chuyến du hành giữa các vì sao không? Giáo sư David Kipping, Trưởng phòng thí nghiệm Cool Worlds tại Đại học Columbia, tin rằng trong tương lai, tàu vũ trụ có thể dựa vào Halo Drive, một loại công nghệ cho phép sử dụng trọng lực của hố đen để đạt được tốc độ đáng kinh ngạc. Giáo sư Kipping đã mô tả khái niệm này trong một nghiên cứu gần đây, trong đó ông chỉ ra rằng những thách thức lớn nhất của việc khám phá không gian là cần một lượng thời gian và năng lượng đủ lớn để có thể phóng tàu vũ trụ thực hiện các nhiệm vụ khám phá, vượt ra ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta.
Ông viết trong một email gửi cho Universe Today: “Du hành giữa các vì sao là một trong những nỗ lực kỹ thuật đầy thách thức nhất mà con người có thể nghĩ đến. Chúng ta cũng cần tính đến khả năng những chuyến trôi dạt giữa các vì sao này, có thể kéo dài hàng triệu năm, hoặc có những khám phá kéo dài hàng thế kỷ, hoặc đòi hỏi lực đẩy ít tương đối hơn”. Như Kipping đã đề cập, lực đẩy tương đối (tức là tăng tốc đến một phần tốc độ ánh sáng) rất tốn năng lượng. Các tàu vũ trụ hiện tại của chúng ta đơn giản là không có đủ sức chứa nhiên liệu để đạt được tốc độ đó. Không có nhiều lựa chọn, hoặc là cho nổ một vũ khí hạt nhân, hoặc chế tạo một động cơ phản lực hợp hạch đủ mạnh.
Trong những năm gần đây, xu hướng kích hoạt năng lượng cho du hành giữa các vì sao đã chuyển sang ý tưởng sử dụng buồm ánh sáng và tàu vũ trụ nano. Một ví dụ điển hình cho ý tưởng này là dự án Breakthrough Starshot, một sáng kiến cho phép gửi một tàu vũ trụ, có kích thước khoảng một chiếc điện thoại thông minh đến Alpha Centauri, chỉ trong vòng đời của một con người. Được trang bị một tấm laser siêu mạnh, buồm ánh sáng sẽ có thể đạt đến 20% tốc độ ánh sáng, do đó rút ngắn thời gian 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 liên tục, (và nhân tiện, không có cách nào con người có thể lưu trữ được nhiều năng lượng như vậy.) Vì vậy, đó là lý do tại sao rất khó vận hành một tàu vũ trụ giữa các vì sao.”
Để giải quyết vấn đề này, Kipping đề xuất một phiên bản mới có tên “Dyson Slingshot”, một ý tưởng do nhà vật lý lý thuyết Freeman Dyson đề xuất. Ông Dyson cũng là người đưa ra ý tưởng về Quả cầu Dyson, một cấu trúc khổng lồ có thể thu giữ năng lượng của một ngôi sao. Trong chương 12 của cuốn sách Interstellar Communications, xuất bản năm 1963, Dyson đã mô tả cách các tàu vũ trụ có thể sử dụng lực hấp dẫn của các hệ sao đôi để tăng tốc đáng kể. Theo Dyson mô tả, khi tiếp cận một hệ sao đôi (hai ngôi sao neutron quay quanh nhau), tàu vũ trụ có thể tận dụng lực hấp dẫn khổng lồ, phát ra từ hai ngôi sao để hỗ trợ di chuyển. Tàu vũ trụ sẽ tận dụng lực hấp dẫn mạnh của hệ sao đôi, cộng thêm một lượng bằng hai lần vận tốc quỹ đạo của chúng, trước khi bị bắt vào không gian.
Mặc dù toàn bộ lý thuyết của Dyson vẫn chỉ là một giả thuyết, ông vẫn đưa ra hai lý do nữa để giải thích tại sao loại “máy khai thác trọng lực” này đáng được khám phá: “Thứ nhất, nếu dân số thế giới tiếp tục tăng nhanh, thậm chí theo cấp số nhân, có lẽ vào một thời điểm nào đó trong tương lai xa, những dự án quy mô lớn này sẽ có nguồn nhân lực để thực hiện, điều cần thiết cho 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 đâu đó trong vũ trụ, thì chúng ta cũng phải xem xét liệu các hiện tượng thiên văn mà chúng ta thấy, có phải là sản phẩm của công nghệ ngoài hành tinh hiện đại không?” Tóm lại, “máy khai thác trọng lực” đáng để nghiên cứu, bởi vì nó có nhiều khả năng là khả thi và đây cũng là cách chúng ta phát hiện ra trí thông minh ngoài Trái Đất, thông qua việc phát hiện các dấu vết mà công nghệ ngoài hành tinh có thể tạo ra và để lại.
Mở rộng nghiên cứu này, Kipping xem xét cách các hố đen, đặc biệt là các hố đen xuất hiện giữa các cặp sao, có thể cung cấp lực đẩy cho tàu vũ trụ. Đề xuất này một phần dựa trên thành công gần đây của Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO), xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn, xảy ra khi hai hố đen va chạm. Theo các ước tính gần đây dựa trên những phát hiện trên, có thể có tới 100 triệu hố đen chỉ riêng trong Dải Ngân Hà. Khi các hệ sao đôi xuất hiện, chúng sở hữu một năng lượng quỹ đạo lớn đáng kinh ngạc, đó là kết quả của các vòng xoáy và vận tốc rất nhanh trong quỹ đạo của nhau.
Ngoài ra, các hố đen cũng có thể hoạt động như những chiếc gương: Tức là các photon đi theo mép chân trời sự kiện sẽ bị uốn cong xung quanh và quay trở lại nguồn. “Do đó, hố đen của một hệ sao đôi thực sự là một cặp gương khổng lồ, quay quanh nhau với tốc độ lớn. Các photon khi được phóng vào chiếc gương này và dội lại, sẽ mang theo một phần năng lượng mà chúng nhận được từ hố đen, (giống như khi một quả bóng bàn được ném vào tường, với lực mạnh hơn, khi nó bật trở lại sẽ có vận tốc lớn hơn)”. Dựa trên nguyên tắc này, người ta có thể nhận được một lượng năng lượng lớn từ hố đen của một hệ sao đôi, để đẩy tàu vũ trụ. Phương pháp đẩy này mang lại nhiều ưu điểm so với các nghiên cứu cũ, vì nó cung cấp cho người dùng tiềm năng di chuyển với tốc độ tương đối mà không cần nhiên liệu, giảm đáng kể khối lượng của phương tiện phóng. Cũng có vô số hố đen vũ trụ khác tồn tại trong Dải Ngân Hà, có thể hoạt động như một mạng lưới, mang lại tiềm năng cho du hành không gian ở tốc độ tương đối.
Và các nhà khoa học cũng đã chứng kiến những ảnh hưởng của những vụ bắn tung tóe trọng lực như vậy, dưới dạng các ngôi sao siêu nhanh. Theo nghiên cứu từ Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA), các ngôi sao siêu lớn là kết quả của các vụ sáp nhập thiên hà và sự tương tác giữa các hố đen khổng lồ, khiến chúng bị đá ra khỏi các thiên hà với tốc độ từ một phần mười đến một phần ba tốc độ ánh sáng, tức là khoảng 30.000 đến 100.000 km/s.
Nhưng tất nhiên, lý thuyết này cũng đi kèm với vô số thách thức và một số nhược điểm. Ngoài việc cần phải chế tạo một tàu vũ trụ có khả năng tiếp cận chân trời sự kiện của một hố đen, chúng ta cũng phải tính toán các thông số một cách cực kỳ chính xác, nếu không con tàu và phi hành đoàn sẽ biến mất vào hố đen bí ẩn. Kipping cho biết: “Nhược điểm lớn nhất đối với chúng ta hiện nay là làm thế nào để tiếp cận một trong những hố đen này. Tôi thường nghĩ về nó như một hệ thống đường cao tốc, khi chúng ta di chuyển giữa các vì sao: Bạn chỉ phải trả một lần phí để đi trên đường cao tốc, nhưng một khi bạn đã vượt qua thiên hà, thì bạn có thể đi bao lâu tùy thích mà không cần sử dụng thêm bất kỳ nhiên liệu nào”.
Và mặc dù những ý tưởng như xây dựng một nghiên cứu về Quả cầu Dyson, hay sử dụng năng lượng của một hố đen để tăng tốc một con tàu vũ trụ nghe có vẻ xa vời, nhưng trên thực tế, chúng vẫn đặt ra những khả năng khá thú vị cho tương lai. Tóm lại, ý tưởng về một cỗ máy sử dụng trọng lực từ hố đen cho thấy con người hoàn toàn có khả năng thực hiện những chuyến du hành giữa các vì sao. Cùng với đó, nghiên cứu về khái niệm này cũng sẽ mở ra khả năng cho chúng ta biết về các dấu hiệu của sự tồn tại của các nền văn minh ngoài hành tinh tiên tiến. Vì vậy, cho đến ngày con người có thể tự mình thực hiện nghiên cứu này, chúng ta sẽ có thể thấy liệu có những sinh vật sống khác, trong các thiên hà khác, cũng đã cố gắng xây dựng và thành công một hệ thống như thế này hay không!