آیا می‌توان خورشید را جابه‌جا کرد؟ نگاهی به موتور ستاره‌ای

فرض کنید میلیون‌ها سال بعد، اخترشناسان متوجه شوند منظومه شمسی در آینده به منطقه‌ای خطرناک از کهکشان نزدیک خواهد شد. شاید گذر یک ستاره، محیطی پرتراکم یا رویدادی کیهانی مسیر امن ما را تهدید کند.

اولین فکری که به ذهن می‌رسد احتمالاً نجات زمین است، اما اگر به‌جای جابه‌جا کردن یک سیاره، بتوانیم خود خورشید را حرکت دهیم و کل منظومه شمسی را با آن ببریم چه؟ این ایده بیشتر شبیه طرح یک رمان علمی‌تخیلی به‌نظر می‌رسد، اما نکته عجیب اینجاست که برای توضیح اصول اولیه آن به فیزیک ناشناخته، کرم‌چاله یا موتور وارپ احتیاجی نداریم.

همان قوانین تکانه، گرانش، فشار تابشی و رانش که امروز حرکت یک فضاپیما را ممکن می‌سازند، در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر اجازه می‌دهند درباره موتور ستاره‌ای صحبت کنیم. از نظر فیزیکی، حرکت دادن خورشید غیرممکن نیست؛ چالش اصلی، اعمال نیروی کافی به جرمی نزدیک به دو میلیارد میلیارد میلیارد تن در بازه‌ای بسیار طولانی است.

آیا از نظر فیزیک می‌توان یک ستاره را جابه‌جا کرد؟ حرکت دادن خورشید در نگاه اول شبیه یکی از آن ایده‌هایی است که فقط در داستان‌های علمی‌تخیلی جواب می‌دهد. اما خورشید برخلاف تصوری که از آن داریم، اصلاً ساکن نیست. این ستاره همراه با تمام منظومه شمسی با سرعت زیادی در کهکشان حرکت می‌کند و به دور مرکز راه شیری می‌چرخد.

بنابراین، برای ساخت یک موتور ستاره‌ای قرار نیست خورشید را از جا بکنیم، بلکه کافی است سرعت یا جهت حرکت فعلی آن را کمی تغییر دهیم. از نظر فیزیک، خورشید نیز مانند هر جسم دیگری از قوانین حرکت پیروی می‌کند. اگر نیرویی به آن وارد شود، شتاب می‌گیرد: F = ma.

اما همین‌جا ابعاد واقعی ماجرا آشکار می‌شود. جرم خورشید حدود 1.99 × 10³⁰ کیلوگرم است، یعنی تقریباً 333 هزار برابر زمین. بنابراین حتی برای ایجاد شتابی فوق‌العاده ناچیز باید نیرویی بسیار بزرگ به آن وارد شود.

به‌عنوان مثال، اگر بخواهیم خورشید فقط 10⁻⁹ متر بر مجذور ثانیه شتاب بگیرد، به نیرویی در حدود 2 × 10²¹ نیوتن نیاز داریم. عددی غول‌آسا برای شتابی که در مقیاس زندگی انسان تقریباً هیچ به‌نظر می‌رسد. اما موتورهای ستاره‌ای یک برگ برنده دارند: زمان.

اگر همین شتاب بسیار کوچک به‌طور پیوسته یک میلیون سال ادامه پیدا کند، سرعت خورشید حدود ۳۲ کیلومتر بر ثانیه تغییر خواهد کرد. شتابی که در یک دقیقه، یک سال یا حتی یک قرن تقریباً بی‌اثر به‌نظر می‌رسد، در مقیاس میلیون‌ها سال می‌تواند مسیر یک ستاره را در کهکشان به شکل قابل توجهی تغییر دهد.

در واقع موتور ستاره‌ای قرار نیست خورشید را مانند یک موشک ناگهان به جلو پرتاب کند. ایده این است که نیرویی نسبتاً کوچک اما دائمی به آن وارد شود، نیرویی که آرام‌آرام روی حرکت خورشید اثر بگذارد و در بازه‌های زمانی بسیار طولانی، مسیر آن را تغییر دهد.

پس جرم عظیم خورشید حرکت دادن آن را غیرممکن نمی‌کند، فقط این کار را به پروژه‌ای در مقیاس میلیون‌ها سال تبدیل می‌کند. و جالب‌تر اینکه برای ایجاد چنین نیرویی شاید لازم نباشد خیلی دور برویم. یکی از ابزارهای لازم همین حالا با قدرتی باورنکردنی از خود خورشید بیرون می‌آید: نور.

پرسش این است که فشار نور چگونه می‌تواند خورشید را هل بدهد؟ شاید عجیب باشد، اما نور واقعاً می‌تواند اجسام را هل بدهد. برای فهمیدن دلیلش، ابتدا باید با مفهوم تکانه آشنا شویم. تکانه را می‌توان به زبان ساده مقدار حرکت یک جسم دانست؛ کمیتی که نشان می‌دهد متوقف کردن یا تغییر حرکت یک جسم چقدر دشوار است.

اما نور ماجرا را کمی عجیب می‌کند. فوتون‌ها، یعنی ذرات نور، جرم سکون ندارند، بااین‌حال انرژی حمل می‌کنند و تکانه دارند. بنابراین، وقتی یک فوتون به جسمی برخورد می‌کند، می‌تواند بخشی از تکانه خود را به آن منتقل کند و نیروی بسیار کوچکی به‌وجود آورد. این اثر را فشار تابشی می‌نامند.

اگر نور به سطحی برخورد کند و جذب شود، مقداری تکانه به آن سطح منتقل می‌کند. اگر نور بازتاب پیدا کند، اثر بیشتر می‌شود، چون فوتون نه‌تنها به سطح برخورد ، بلکه جهت حرکتش نیز تغییر کرده است.

درنتیجه تکانه بیشتری منتقل می‌شود. این پدیده اساس کار بادبان‌های خورشیدی است؛ فضاپیماهایی که می‌توانند بدون مصرف سوخت معمول، از فشار نور خورشید برای شتاب گرفتن استفاده کنند.

در زندگی روزمره این نیرو آن‌قدر کوچک است که متوجه آن نمی‌شویم. نور خورشید روی پوست ما فشار وارد می‌کند، اما این فشار در برابر نیروهایی مثل گرانش زمین تقریباً ناچیز است. در مقیاس یک ستاره اما شرایط فرق می‌کند. خورشید در هر ثانیه مقدار عظیمی انرژی را به شکل نور به فضا می‌فرستد و تمام این نور، تکانه نیز با خود حمل می‌کند.

اما نور خورشید تقریباً در همه جهت‌ها پخش می‌شود. درنتیجه، تکانه‌ای که فوتون‌ها در یک جهت با خود می‌برند با تکانه فوتون‌های جهت مقابل تا حد زیادی خنثی می‌شود و خورشید از تابش عادی خود، رانش مشخصی در یک جهت نمی‌گیرد.

حال اگر این تعادل را به هم بزنیم چه؟ ایده موتور شکادوف دقیقاً از همین سؤال شروع می‌شود. یک آینه بسیار بزرگ می‌تواند در کنار خورشید قرار بگیرد و مسیر بخشی از نور آن را تغییر دهد.