Hố đen là một trong những môi trường cực đoan nhất vũ trụ. Chúng tạo ra những trường hấp dẫn mạnh đến mức cho phép các nhà khoa học kiểm nghiệm Thuyết tương đối rộng của Einstein trong những điều kiện không thể thực hiện với các vật thể nhỏ hơn.
Tuy nhiên, việc quan sát hố đen từ xa cũng đang dần đạt đến giới hạn. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng về việc một ngày nào đó gửi tàu thăm dò trực tiếp tới một hố đen để nghiên cứu nó ở khoảng cách gần.
Một trong những nhà nghiên cứu tích cực theo đuổi ý tưởng này là Cosimo Bambi thuộc Đại học Phúc Đán ở Thượng Hải. Trong một nghiên cứu mới được công bố dưới dạng bản tiền xuất bản trên arXiv, ông phân tích những yêu cầu cần thiết để đưa một tàu thăm dò siêu nhỏ, chỉ nặng khoảng 1 gram, tới một hố đen ở tương đối gần Trái Đất.
Có hố đen nào ở gần Trái Đất?
Đáng tiếc, hiện chúng ta chưa biết hố đen nào thực sự “gần” như vậy.
Hố đen gần nhất được biết đến là Gaia BH1, cách Trái Đất khoảng 1.560 năm ánh sáng, trong chòm sao Xà Phu (Ophiuchus). Các nhà khoa học xác định được vị trí của nó nhờ lực hấp dẫn mà hố đen tác động lên một ngôi sao đồng hành.
Nhiều khả năng còn có rất nhiều hố đen khác trong khu vực lân cận Dải Ngân hà, nhưng chúng gần như vô hình vì không có ngôi sao đồng hành để phát ra ánh sáng hoặc tạo ra những dấu hiệu dễ nhận biết.
Theo nghiên cứu của Bambi, Dải Ngân hà có thể chứa khoảng 100 triệu hố đen khối lượng sao. Nói cách khác, có thể có hàng trăm triệu hố đen có khối lượng tương đương các ngôi sao đang tồn tại trong thiên hà của chúng ta.
Đáng chú ý, khoảng 92% trong số đó là các hố đen cô lập, không có ngôi sao đồng hành. Vì hố đen không tự phát ra ánh sáng và hấp thụ ánh sáng đi vào, những vật thể này gần như vô hình đối với các kính thiên văn.
Theo tính toán của Bambi, trung bình cứ khoảng 1.500 parsec khối (tương đương khoảng 52.000 năm ánh sáng khối – 1 năm ánh sáng khối là thể tích của một khối lập phương có mỗi cạnh dài 1 năm ánh sáng) lại có một hố đen khối lượng sao. Trong khi đó, Dải Ngân hà được ước tính có thể tích khoảng 150 kiloparsec khối.
Xét về mặt thống kê, điều này mở ra một khả năng hấp dẫn: một hố đen chưa được phát hiện có thể tồn tại trong phạm vi 20-25 năm ánh sáng quanh Trái Đất.
Ở khoảng cách đó, hố đen không gây nguy hiểm cho Hệ Mặt Trời. Nhưng nếu phát hiện được nó, chúng ta có thể có cơ hội gửi một tàu thăm dò tới đó trong khoảng thời gian một đời người.
Tất nhiên, trước hết chúng ta phải tìm thấy nó.
Bambi cho rằng một cách để phát hiện những hố đen cô lập là quan sát bức xạ chúng phát ra khi nuốt khí trong quá trình di chuyển qua các đám mây liên sao cục bộ. Các cuộc khảo sát thiên văn đa bước sóng hiện nay có thể đủ khả năng phát hiện những tín hiệu như vậy.
Làm thế nào để tới được hố đen?
Giả sử chúng ta tìm thấy một hố đen ở gần và quyết định gửi tàu thăm dò tới đó. Nhiệm vụ này sẽ được thực hiện như thế nào?
Tên lửa truyền thống gần như không phải là lựa chọn khả thi. Do những hạn chế được mô tả bởi “phương trình tên lửa”, một con tàu sử dụng động cơ hóa học sẽ mất hàng nghìn năm để tới một hố đen chỉ cách vài năm ánh sáng.
Lựa chọn tốt nhất, ít nhất về mặt lý thuyết, là sử dụng một “cánh buồm ánh sáng” được đẩy bằng laser.
Laser không tạo ra lực đẩy lớn, vì vậy thiết kế của hệ thống sẽ đóng vai trò quyết định. Theo nghiên cứu, tàu thăm dò sẽ gồm hai bộ phận chính. Bộ phận thứ nhất là một “chip” siêu nhỏ, nặng khoảng 1 gram, chứa các thiết bị định vị, khoa học và liên lạc. Bộ phận thứ hai là một cánh buồm ánh sáng bằng siêu vật liệu điện môi, có diện tích khoảng 10 m².
Một hệ thống laser khổng lồ sẽ chiếu vào cánh buồm để đẩy toàn bộ cấu trúc lên tốc độ bằng một phần ba tốc độ ánh sáng chỉ trong 17 phút. Ở tốc độ đó, tàu thăm dò sẽ mất khoảng 60-70 năm để tới một hố đen cách Trái Đất 20-25 năm ánh sáng.
Tuy nhiên, tàu sẽ không thể giảm tốc khi tiến vào hệ thống của hố đen. Vì vậy, nó sẽ phải bay sượt qua hố đen, thu thập càng nhiều dữ liệu càng tốt trong thời gian rất ngắn, sau đó truyền toàn bộ dữ liệu về Trái Đất.
Chỉ riêng quá trình truyền tín hiệu trở lại cũng sẽ mất thêm 20-25 năm.
Như vậy, toàn bộ sứ mệnh có thể kéo dài 80-100 năm, nhiều khả năng lâu hơn cả tuổi đời của những kỹ sư và nhà khoa học đầu tiên bắt tay vào thực hiện nó.
Những thách thức khổng lồ
Nói thẳng ra, chúng ta chưa có công nghệ để thực hiện một sứ mệnh như vậy.
Một con chip chỉ nặng 1 gram nhưng có thể chịu đựng hành trình kéo dài hàng chục năm ở tốc độ liên sao, đồng thời vẫn hoạt động và truyền dữ liệu khoa học có thể giải mã qua khoảng cách 20 năm ánh sáng, vượt quá năng lực kỹ thuật hiện nay.
Một hệ thống laser đặt trong không gian có khả năng đẩy tàu thăm dò lên tốc độ bằng một phần ba tốc độ ánh sáng cũng nằm ngoài khả năng hiện tại. Chưa kể, chúng ta thậm chí còn chưa xác định được một hố đen cụ thể để nhắm tới.
Đáng tiếc hơn, một trong những nỗ lực hứa hẹn nhất nhằm phát triển công nghệ tương tự — dự án Breakthrough Starshot — đã bị dừng vào tháng 9/2025.
Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, không thách thức nào trong số này là không thể vượt qua. Chúng chỉ đòi hỏi những bước tiến lớn về kỹ thuật. Hiện đã có những nhóm nghiên cứu được thành lập để phát triển các hệ thống khoa học, thiết bị và liên lạc cần thiết. Một hội nghị quốc tế về chủ đề này dự kiến cũng sẽ diễn ra vào mùa hè năm 2027.
Chắc chắn chúng ta sẽ chưa có một thiết kế hệ thống hoàn chỉnh và có thể vận hành vào thời điểm đó. Nhưng mỗi bước tiến trong việc giải quyết những thách thức trên sẽ đưa nhân loại đến gần hơn với khả năng thực sự gửi một sứ mệnh tới hố đen.
Trước hết, chúng ta chỉ cần tìm thấy một hố đen ở gần.
Hình minh họa một hố đen khối lượng sao trong một hệ sao đôi. Ảnh: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
