شاید در قرن بعدی، یک جفت فضاپیما جسورانه به جایی سفر کنند که تا امروز هیچ شیء ساخته دست بشری به آنجا نرفته است. برای ستارهشناسان و اخترفیزیکدانان، سیاه چالهها همیشه اجرامی مرموز بودند و ماموریت سفر به سیاه چاله، با هدف کشف راز این اجرام انجام میشود.
دورترین سفر بشر؛ رویای سفر به سیاه چالهها
دانشمندان تلاش برای کشف سیاهچالهها را با پرتاب وویجر 2 آغاز کردهاند. فضاپیمای وویجر ۲ بیشترین مسافت را در میان همه فضاپیماها پیموده است و حالا با فاصله 12.4 میلیارد مایل (20 میلیارد کیلومتر) نسبت به ما، دقیقا آن سوی لبه منظومه شمسی قرار دارد.
اما برای کازیمو بامبی، اخترفیزیکدان دانشگاه فودان، این تازه آغاز راه است. او از حالا به این فکر میکند که که نسل بعدی چگونه درباره سیاهچالهها مطالعه خواهند کرد؟ برای مثال شاید بهزودی فضاپیماهای بسیار کوچک برای سفری میانستارهای و چند ده ساله به سمت یک سیاهچاله در نزدیکی ما ارسال شوند. به باور او، یک فضاپیما که بزرگتر از یک گیره کاغذ نیست، بهراحتی میتواند در مدار یک سیاهچاله قرار بگیرد و بزرگترین فرضیات ما درباره نحوه کارکرد جهان را به چالش بکشد.
آزمودن نهایی نسبیت عام
اگر همهچیز طبق برنامه بامبی پیش رفته و راه خود را ادامه دهد، ۲۰ یا ۳۰ سال دیگر یک نانوفضاپیما، فضاپیمایی بسیار کوچک با وزنی تنها چند گرم، بادبان نوری خود به عرض ۳۳ فوت یا ۱۰ متر را در مدار پایین زمین باز خواهد کرد.
سپس لیزرهای پرانرژی مستقر روی زمین، نور را به این بادبان میتابانند و فشار فوتونها در عرض چند دقیقه فضاپیما را با سرعتی حدود یکسوم سرعت نور به حرکت در میآورد. سپس این سازه کوچک، حدود ۷۵ سال در پهنه عظیم فضا حرکت میکند تا به یکی از مرموزترین اجرام عالم یعنی سیاهچاله برسد و سفر به سیاه چاله را از رویا به حقیقت تبدیل کند.
فیزیکدانان معتقدند ناحیه فوقالعاده پرجاذبه نزدیک سیاهچالهها شاید تنها جایی در جهان باشد که نسبیت عام، همان نظریهای که تاروپود جهان ما، یعنی فضا-زمان و اثر گرانش بر آن را توصیف میکند، در آن نقض میشود. اما تا زمانی که نتوانیم آنچه در نزدیکی مرز یک سیاهچاله رخ میدهد را اندازهگیری کنیم، این موضوع در حد احتمال خواهد بود و بهطور قطعی از آن مطلع نمیشویم. بامبی امیدوار است ایده جاهطلبانهای که دارد، این کار را ممکن کند.
باتوجه به اینکه جرم سیارات و قمرها در منظومه شمسی با مشاهده چگونگی تغییر مدار فضاپیماها تحت کشش گرانشی آنها اندازهگیری میشود، بامبی معتقد است که اندازهگیری گرانش یک سیاهچاله هم به این صورت امکانپذیر خواهد بود. البته به عقیده او باید از فضاپیماهای بسیار کوچک استفاده کرد.
ایده بامبی برای اندازهگیری جرم سیاهچاله
براساس این ایده، وقتی نانوفضاپیما سرانجام به سیاهچاله برسد، حداقل یک یا شاید چندین نانوفضاپیمای کوچکتر را آزاد خواهد کرد. این دسته از فضاپیماها که هماندازه حشرات هستند یا آنقدر کند میشوند که به نحوی در مدار قرار بگیرند یا از کنار سیاهچاله عبور میکنند. در هر دو حالت، اصل ماجرا یکسان است و با قرارگیری در مدار یا عبور از کنار سیاهچاله، فضاپیمای مادر میتواند سیگنالهای رادیویی فرزندان جسور خود را ردیابی کند. ردیابی مسیر حرکت این فضاپیماهای کوچک نیز نشان میدهد که فضا-زمان در نزدیکی سیاهچاله چگونه خمیده و دچار پیچش میشود.
البته ماموریت سفر به سیاه چاله در اینجا به پایان نمیرسد. وقتی سیگنال نانوفضاپیما بعد از 25 سال به زمین برسد، دانشمندان دادههای آن را با پیشبینیهای نسبیت عام و دیگر مدلها مقایسه خواهند کرد. در آن زمان و حدود یک قرن پس از پرتاب، میفهمیم که آیا مدلهای ما از نحوه عملکرد جهان، حتی زیر فشار گرانشی عظیم یک تکینگی هم پابرجا میمانند یا نه.
چگونه بادبانها را به سمت سیاهچاله هدایت کنیم؟
بامبی در مقاله اخیر خود درباره این موضوع میگوید: «ایده سفر به سوی سیاهچاله، صرفا یک ایده مبهم است، بنابراین موارد زیادی برای بحث در مورد آن وجود دارد. هدف بیشتر ترغیب جامعه علمی برای گفتگو درباره این احتمال است.» بااینحال، از همین حالا میتوان شمای کلی این ماموریت را تجسم کرد.
بادبانی را تصور کنید که از چند متر مربع مواد خاص ساخته شده و در جلوی یک فضاپیمای مینیاتوری باز میشود؛ فضاپیمایی که تنها به یک تراشه کامپیوتری و فرستنده-گیرنده رادیویی کوچک متصل است. این همان نانو-فضاپیمایی است که بامبی آرزو میکند، روزی دانشمندان برای بررسی گرانش یک سیاهچاله به فضا بفرستند.
در کمترین حالت، چنین فضاپیمایی باید توانایی ثبت زمان را داشته باشد تا بداند چه زمانی به مقصد رسیده و سیگنالهای رادیویی را ارسال و دریافت کند. اما افزودن تجهیزاتی بیشتر از یک تراشه به فضاپیمایی که قرار است با بادبان نوری تا سرعتهای نسبیتی شتاب بگیرد، عملا دشوار خواهد بود.
تجهیزات مورد نیاز برای سفر به سیاه چاله
کوین پارکین، فیزیکدان و مهندسی که مرکز طراحی ماموریت در ناسا ایمز را اداره میکند و پیش از این در پروژه ۱۰۰ ساله استارشیپ ناسا کار کرده است، درباره ایده سفر به سیاه چاله میگوید: «حرکت دادن یک دوربین معمولی با بادبان نوری مانند تلاش برای معلق کردن یک آجر روی دستمال کاغذی است.»
در واقع، حداقل تجهیزاتی که برای این سفر نیاز هستند، باید بیشتر از توان تکنولوژی فعلی، کوچکسازی شده و بهگونهای طراحی شوند که در برابر تشعشعات شدید و سرمای عمیق فضای میانستارهای دوام بیاورند.
البته این احتمال وجود دارد که برخی قطعات این پازل، مثل سامانههای تامین انرژی نانوفضاپیما و حتی یک دوربین، در لایههای ماده تشکیلدهنده بادبان نوری ادغام شوند؛ این کار با استفاده از یک فناوری خاص به نام آرایه فازی نوری قابل انجام خواهد بود. اما این فناوری هنوز در مرحلهای است که پارکین آن را «فیزیک شناختهشده، اما مهندسی ناشناخته» مینامد. یعنی از نظر تئوری میدانیم که چگونه آن را با معادلات توصیف کنیم و از لحاظ فیزیکی باید امکانپذیر باشد، اما هنوز کسی راه ساختن آن را پیدا نکرده است.
لیزرها؛ چالش بعدی
پس از آن نوبت به لیزرها میرسد. طبق تخمین و حدسیات بامبی، اگر بخواهیم آرایهای از لیزرها بسازیم که نانوفضاپیما را با سرعتی معادل یکسوم سرعت نور به فضا پرتاب کنند، هزینه آن حدود یک تریلیون یورو خواهد بود. البته با توجه به روند کلی کاهش هزینه لیزرها که قیمت هر وات تقریبا هر چهار سال نصف میشود، این رقم ممکن است طی ۳۰ سال آینده به حدود یک میلیارد یورو برسد؛ عددی که بیشتر با بودجه ماموریتهای بزرگ فضایی امروز همخوانی دارد.
در مجموع، بامبی تخمین میزند که حدود ۲۰ تا ۳۰ سال با فناوری مورد نیاز برای ماموریت سفر به سیاه چاله فاصله داریم. با این حال، او معتقد است عملی شدن این ایده فقط به زمان نیاز دارد؛ بهخصوص اگر بتوانیم یک سیاهچاله نزدیک پیدا کنیم.
برای سفر به سیاه چاله، ابتدا باید یکی از آنها را پیدا کنیم
بامبی در مقاله اخیرش میگوید ماموریتهایی مثل Breakthrough Starshot یا پروژههای مشابهی که برای سفر به سیارههای فراخورشیدی نسبتا نزدیک طراحی شدهاند، به احتمال زیاد زودتر از ماموریتی به سوی سیاهچاله اجرا خواهند شد.
بخشی از این تاخیر به این دلیل است که سیاهچالهها بسیار دورتر هستند و رسیدن به آنها به سرعت بیشتری نیاز دارد؛ ضمن اینکه ساخت فضاپیمایی که بتواند شرایط سخت ناشی از تابش و گرانش اطراف آنها را تحمل کند، دشوارتر است. از سوی دیگر، هنوز یک موضوع درباره این ماموریتها نامشخص بوده و طرح بامبی از آن بیبهره مانده و آن، مقصد و هدفی مشخص برای سفر است.
نزدیکترین سیاهچالهای که در حال حاضر میشناسیم، ۱۵۶۰ سال نوری از ما فاصله دارد اما به احتمال زیاد سیاهچاله دیگری هم در فاصله ۲۵ سال نوری از زمین پنهان شده، تنها مشکل اینجاست که هنوز آن را پیدا نکردهایم. بامبی میگوید این وضعیت ممکن است ظرف ده سال آینده تغییر کند.
اخترفیزیکدانان تخمین میزنند که در کهکشان ما به ازای هر ۱۰۰ ستاره معمولی، یک سیاهچاله و ۱۰ کوتوله سفید وجود دارند. بنابراین براساس تعداد ستارهها در همسایگی ما در راه شیری و آنچه دانشمندان درباره چرخه حیات ستارههای عظیم میدانند، احتمالا یک سیاهچاله کشفنشده در فواصل نه چندان دور وجود دارد. بااینحال، شناسایی سیاهچالهها به دلیل اینکه در مناطقی هستند که هیچ نوری از آنها فرار نمیکند، بسیار دشوار است و این موضوع دیگر چالش مهم در سفر به سیاه چالهها محسوب میشود.
پیدا کردن سیاهچالهها؛ نیازمند کار گروهی
البته اگر برخی از پیشرفتهترین تلسکوپهای جهان با هم کار کنند، شاید رد بسیار کمنور تابشی که از سقوط ماده به درون سیاهچاله آزاد میشود قابل تشخیص باشد. حتی در حالتی که سیاهچاله از مواد پراکنده فضای میانستارهای تغذیه کند هم این امکان وجود دارد. این تیم رویایی اخترشناسی شامل تلسکوپ فضایی جیمز وب، آرایه عظیم Square Kilometer Array شامل دو مجموعه بزرگ از دیشهای رادیویی در گسترههایی وسیع از استرالیا و آفریقای جنوبی و همچنین آلما در شیلی است.
همچنین این احتمال وجود دارد که اخترشناسان با همان روشی که بعضی سیارههای فراخورشیدی را پیدا میکنند، قادر به شناسایی سیاهچالهای که همراه یک ستاره در مدار حرکت میکند، باشند. یعنی با اندازهگیری نوسانهای بسیار جزئی در حرکت ستاره که بر اثر کشش گرانشی جرم همراه آن ایجاد میشود.
سیاهچالههایی که بهتنهایی در کهکشان حرکت میکنند و ستاره همراهی ندارند هم ممکن است از راه دیگری مانند خم کردن نور ستارههای پسزمینه بر اثر گرانش بسیار شدیدشان آشکار شوند. اخترشناسان حدود یک دهه پیش سیاهچاله OGLE-2011-BLG-0462 را دقیقا با همین روش شناسایی کردند؛ جرمی که نام آن به اندازه خودش سنگین و پیچیده است.
به عصر سفرهای فضایی بادبانی خوش آمدید
ایده استفاده از بادبان نوری برای گرفتن پرتوهای لیزر و فرستادن یک تراشه رایانهای به فضای میانستارهای، تازه نیست. آژانس فضایی ژاپن (JAXA) در سال ۲۰۱۰ از بادبان نوری برای رساندن فضاپیمای IKAROS و گذر از کنار سیاره زهره استفاده کرد و انجمن سیارهای نیز در سال ۲۰۱۹ ماهواره مکعبی بادبانی LightSail-2 را به مدار پایین زمین فرستاد. بههمین دلیل اخترشناسان معتقدند سفر به سیاه چاله هم از این طریق امکانپذیر است.
هر دوی این پروژهها جرم بسیار بیشتری نسبت به یک نانوفضاپیما داشتند، وزن LightSail-2 حدود ۱۳ پوند یا ۶ کیلوگرم و IKAROS حدود ۱۲۱ پوند یا ۵۵ کیلوگرم بود. بهعلاوه هر دو بهجای لیزر از نور خورشید برای پر کردن بادبانهای خود استفاده میکردند. البته هیچکدام با سرعتی نزدیک به یکسوم سرعت نور حرکت نمیکردند، بنابراین جرم بیشتر و انرژی کمتری داشتند.
تلاشهای اخیر برای سفر به سیاهچالهها
از سال ۲۰۱۶ نیز پروژه Breakthrough Starshot، پروژه شخصی یوری میلنر، فیزیکدان و میلیاردر کارآفرین روی توسعه نانو-فضاپیماهای مجهز به بادبان نوری کار میکند. هدف این پروژه، پرتاب ناوگانی از فضاپیماهای کوچک به سمت آلفا قنطورس تا اواخر دهه ۲۰۳۰ است.
استیون هاوکینگ، فیزیکدان فقید، عضو هیئتمدیره این پروژه بود و مارک زاکربرگ مدیرعامل متا و آوی لوب، اخترفیزیکدان هاروارد و علاقهمند به ایده کاوشگرهای بیگانه، نیز از اعضای آن هستند. البته به گفته بامبی، اصل این ایده از دهه ۱۹۷۰ در محافل اخترفیزیک و فضانوردی مطرح بوده و تنها در دو دهه اخیر، به لطف کشف سامانههای سیارهای فراخورشیدی در فاصله چند سال نوری از ما، جدیتر دنبال شده است.
بامبی میگوید: «تا همین ۱۰ یا ۱۵ سال پیش، کسی توجه زیادی به این نوع فضاپیماها نداشت. اما وقتی فهمیدیم بعضی سامانههای ستارهای فاصله چندانی با ما ندارند، توجه به این ایده بهویژه در میان پژوهشگران سیارههای فراخورشیدی بیشتر شد. اگر بتوان از این روش برای رسیدن به سیارههای فراخورشیدی استفاده کرد، چرا نتوان آن را برای سفر به سیاه چالهها به کار گرفت؟»
