Ogromna liczba potencjalnie nadających się do zamieszkania planet teoretycznie mogłaby istnieć na stabilnych orbitach wokół supermasywnej czarnej dziury, takich jak fikcyjna Gargantua z filmu Międzygwiezdnego z 2014 roku.
(Zdjęcie: © Paramount Pictures)
Astrofizyk sugeruje, że czarna dziura może mieć wokół siebie milion planet krążących w jej pobliżu, które potencjalnie są w stanie utrzymać życie, jakie znamy.
Ponieważ istnieje życie praktycznie wszędzie, gdzie na Ziemi istnieje płynna woda, astronomowie często oceniają świat jako potencjalnie nadający się do zamieszkania, jeśli krąży w strefie, w której ciekła woda mogłaby przetrwać na jego powierzchni. „Strefa mieszkalna” naszego Słońca jest gospodarzem tylko jednej planety (Ziemi), ale historia może być inna dla innych gwiazd. Na przykład system TRAPPIST-1 ma trzy planety wielkości Ziemi w swojej strefie zamieszkania.
Sean Raymond, astrofizyk z obserwatorium w Bordeaux we Francji, bada, w jaki sposób układy planetarne tworzą się i ewoluują. W ramach kolumny zatytułowanej „Budowanie ostatecznego układu słonecznego” Raymond postanowił sprawdzić, ile planet może okrążyć czarną dziurę. [Najdziwniejsze czarne dziury w kosmosie]
„Myślę, że możemy uczyć się od skrajności… są to w zasadzie granice pudełka, w którym szukamy”, powiedział Raymond dla Space.com. „Ten system jest jedną skrajnością - najbardziej zapakowaną, jaką można sobie wyobrazić. To zabawne połączenie wyobraźni i nauki”.
Raymond powiedział, że obecnie istnieją dwa rodzaje czarnych dziur, które najlepiej znają naukowcy. Czarne dziury o masie gwiazdowej mają masę równą kilku słońcom i powstają, gdy gigantyczne gwiazdy umierają i zapadają się. Supermasywne czarne dziury mają masę od milionów do miliardów razy większą niż masa Słońca i uważa się, że istnieją w sercach większości, jeśli nie wszystkich, dużych galaktyk. (Trzecia klasa, czarne dziury o średniej masie, jest słabo poznana).
Czarne dziury są niezwykle kompaktowe. Czarna dziura o masie Słońca miałaby szerokość około 3,7 mil (6 kilometrów). Dla porównania, Strzelec A *, supermasywna czarna dziura uważana za czającą się w sercu Drogi Mlecznej, ma masę około 4 milionów słońc i średnicę około 14,7 miliona mil (23,6 miliona km), czyli nieco ponad 40 procent wielkości orbity Merkurego wokół Słońca.
Co jeśli słońce ma towarzysza czarnej dziury?
Raymond powiedział, że częstym pytaniem na lekcjach fizyki jest wyobrażenie sobie, co by się zmieniło, gdyby Słońce zastąpiono czarną dziurą o tej samej masie. Odpowiedź jest taka, że nic się nie zmieni w odniesieniu do orbit planet - jeśli czarna dziura miałaby taką samą masę jak słońce, orbity pozostałyby takie same. (Życie na Ziemi oczywiście ucierpiałoby z powodu braku światła i ciepła w takim scenariuszu, dodał Raymond.)
Raymond zauważył, że gdyby Słońce miało towarzyszącej mu czarnej dziury o równej masie, krążącej wokół niej - powiedzmy w jednej dziesiątej jednostki astronomicznej (AU) - orbity planet Układu Słonecznego niewiele by się zmieniły. (Jedna AU to odległość Ziemia-Słońce - około 93 milionów mil, czyli 150 milionów kilometrów.)
Zakładając jednak, że planety te zachowały taką samą odległość od Słońca, jak teraz, grawitacyjne przyciąganie Słońca i jego partnera z czarną dziurą doprowadziłoby te światy do szybszego okrążenia orbit, a rok Ziemi skrócił się z 365 dni do 258 dni, powiedział.
W powyższym scenariuszu słońce i czarna dziura okrążałyby się ze sobą co 2,9 dnia. Oznacza to, że ilość energii, którą Ziemia otrzymałaby od Słońca, wahałaby się między 90 a 110 procent jej średniej, gdy Słońce poruszałoby się dalej lub bliżej Ziemi.
„To jak odbijanie się między Nowym Jorkiem a Miami z powrotem co 2,9 dnia” - zauważył Raymond. [Quiz Black Hole: Jak dobrze znasz najdziwniejsze stworzenia natury?]
Co jeśli supermasywna czarna dziura miała pierścień planet?
Oprócz wyobrażenia sobie życia wokół czarnej dziury o masie gwiezdnej, Raymond obliczył również, ile potencjalnie zamieszkałych planet może zmieścić się wokół supermasywnej czarnej dziury 1 milion razy większej niż masa Słońca. „To prawie tak ogromne, jak w centrum Drogi Mlecznej” - powiedział. Dodał, że będzie to tylko średnica słońca.
Wokół Słońca orbity, które podróżują planety, mogą zbliżyć się tak blisko siebie, zanim efekty ich przyciągania grawitacyjnego przytłoczą siły Słońca, prowadząc do niestabilnych orbit. Raymond zauważył, że około sześciu planet o masie ziemskiej może zmieścić się na stabilnych koncentrycznych orbitach w strefie zamieszkiwanej przez Słońce.
W przeciwieństwie do tego, grawitacyjne przyciąganie supermasywnej czarnej dziury jest wyjątkowo silne, wystarczające, aby z łatwością pokonać siły planet. Raymond obliczył, że gdyby Słońce zastąpiono czarną dziurą o masie miliona Słońca, 550 planet o masie Ziemi zmieściłoby się na stabilnych koncentrycznych orbitach w strefie zamieszkiwania.
Grawitacja supermasywnej czarnej dziury silniej przyciągałaby z boku każdej planety bliżej czarnej dziury. Raymond powiedziałby, że spowodowałoby to rozciągnięcie planet strefy nadającej się do zamieszkania, chociaż nie byłyby one wystarczająco blisko, aby je rozerwać.
Jednym ze sposobów stworzenia strefy nadającej się do zamieszkania wokół tej supermasywnej czarnej dziury jest umieszczenie gwiazd między nią a planetami. Raymond powiedział, że pierścień dziewięciu podobnych do Słońca gwiazd 0,5 AU z czarnej dziury o milionach Słońca sprawiłby, że każda z 550 planet o masie ziemskiej w powyższym scenariuszu mogłaby nadawać się do zamieszkania.
„Życie na planecie w tym systemie byłoby bardzo interesujące” - zauważył Raymond. „Wykonanie orbity wokół czarnej dziury zajęłoby zaledwie kilka dni - około 1,6 dnia na wewnętrznej krawędzi strefy mieszkalnej i 4,6 dnia na zewnętrznej krawędzi”. [10 egzoplanet, które mogłyby gościć obce życie]
Raymond zauważył, że przy najbliższym zbliżeniu lub połączeniu dwóch takich planet odległość między tymi światami byłaby „około dwa razy większa od odległości Ziemia-Księżyc”. „W połączeniu z najbliższym sąsiadem każdej planety pojawia się na niebie około dwa razy większy księżyc w pełni”.
Ponadto Raymond powiedział, że najbliżsi najbliżsi sąsiedzi byliby tylko dwa razy dalej, a więc wyglądali na tak dużych jak księżyc w pełni. Dodał, że cztery kolejne planety byłyby co najmniej o połowę mniejsze niż księżyc w pełni. „Koniunkcje zdarzają się mniej niż raz na orbitę, więc co kilka dni po niebie przepływa grupa gigantycznych obiektów” - powiedział.
Raymond powiedział, że dziewięć słońc „też byłoby na widoku”. Każdy z nich okrążyłby czarną dziurę co 3 godziny.
„Oznacza to, że co 20 minut jedno ze słońc przechodzi przez czarną dziurę” - powiedział Raymond. „Kiedy słońce przechodzi za czarną dziurą, grawitacja czarnej dziury wygina jego światło i może działać jak soczewka. Skupia światło słoneczne w kierunku planety. To zniekształca kształt słońca w pierścień… całkiem słodkie światło pokazać."
Co więcej, światło gwiazd byłoby rozciągane przez grawitację czarnej dziury. „Gwiazdy bliżej czarnej dziury byłyby bardziej czerwone, a te znajdujące się dalej od czarnej dziury byłyby bardziej niebieskie” - powiedział Raymond.
Milion planet wokół czarnej dziury
W poprzednim scenariuszu każda planeta była sama na swojej orbicie wokół supermasywnej czarnej dziury. Raymond modelował również, co by się stało, gdyby wiele planet dzieliło orbitę wokół czarnej dziury o wartości miliona słońc. Wcześniej Raymond obliczył, że 42 planety o masie ziemskiej mogą krążyć wokół pierścienia o 1 AU od Słońca.
Aby mieć stabilny pierścień planet, Raymond zauważył, że wszystkie planety w tym pierścieniu muszą mieć w przybliżeniu tę samą masę. W takim pierścieniu musi być co najmniej siedem planet, które muszą być równomiernie rozmieszczone wzdłuż okrągłej orbity.
Biorąc pod uwagę czarną dziurę o sile miliona Słońca z orbitującym pierścieniem dziewięciu podobnych do Słońca gwiazd, Raymond obliczył, że milion planet o masie Ziemi może orbitować w strefie nadającej się do życia w 400 pierścieniach, z których każda zawiera 2500 planet rozmieszczonych w odległości mniej więcej tej samej odległości między Ziemią a Księżycem. W tym scenariuszu wykonanie planety ponownie zajmie od 1,6 do 4,6 dnia. [Najdziwniejsze czarne dziury we wszechświecie]
Zamiast umieszczania dziewięciu podobnych do Słońca gwiazd między czarną dziurą a planetami, Raymond zasugerował również, że można umieścić 36 podobnych do Słońca gwiazd w pierścieniu o szerokości 6 AU. W tym scenariuszu „każda planeta jest skąpana w słońcu ze wszystkich stron - planety nie mają strony nocnej” - powiedział Raymond. „To jest jak stała planeta Aszimowa Kalgash.”
„Nigdy nie czułbyś się samotny w tych systemach - inne planety wyrastałyby ogromne na niebie”, dodał Raymond. Raymond powiedział, że sąsiednie planety byłyby około 10 razy bliżej Ziemi niż Księżyca, co oznacza, że wydają się „około 40 razy większe na niebie niż księżyc w pełni”. „To mniej więcej rozmiar laptopa trzymanego w zasięgu ręki, tylko na niebie”.
W tym drugim scenariuszu planety byłyby znacznie bliżej czarnej dziury, a każda z nich okrążyłaby orbitę w około 9 godzin. Oznacza to, że orbitują z niezwykłymi prędkościami - około 10 procent prędkości światła. Zgodnie z teorią szczególnej teorii względności Einsteina czas wydaje się poruszać zauważalnie wolniej, im bliżej prędkości światła, więc „dwoje dzieci urodzonych w tym samym momencie na różnych pierścieniach starzeje się w nieco innym tempie” - powiedział Raymond. „Dziecko na pierścieniu wewnętrznym starzeje się nieco wolniej”.
Raymond powiedział, że różnice prędkości między pierścieniami byłyby na tyle duże, że uniemożliwiłyby statkowi kosmicznemu podróżowanie z jednego pierścienia na drugi przy dowolnej obecnej technologii. Jednak każdy świat dzieliłby swój pierścień z tysiącami innych, a względna prędkość między sąsiednimi planetami byłaby prawie zerowa. „Winda kosmiczna może łączyć planety” - powiedział Raymond.
Gdyby każda para sąsiednich planet wzdłuż danego pierścienia była połączona, przypominałoby to „Ringworld”, gigantyczną kosmiczną megastrukturę w science-fiction epopei Larry'ego Niven o tej samej nazwie. „Różnica między tym układem a„ Pierścieniem ”z książki Larry'ego Niven polega na tym, że w tym przypadku nie ma możliwej do utrzymania powierzchni między planetami” - powiedział Raymond.
Skąd mogą pochodzić takie miliony planet? „Mogę sobie wyobrazić super zaawansowanych kosmitów tworzących układ podobny do Układu Słonecznego o milionach Ziemi jako kosmiczne dzieło sztuki, podobne do sztuki wieżowców lub malowanych gór lodowych” - powiedział Raymond. „Sposób na powiedzenie:„ Spójrz, jak bardzo jesteśmy fantazyjni ”na największą skalę.”
„A może kosmici stworzyliby taki system jako zoo” - powiedział Raymond. „Mogą mieć gradienty klimatyczne od najgorętszych do najzimniejszych i zaopatrywać planety w różnego rodzaju stworzenia, które gromadzą we wszechświecie. Oczywiście musieliby uważać, aby nie umieścić niewłaściwych kombinacji stworzeń kosmicznych na ten sam pierścień planet, ponieważ to nie skończyłoby się dobrze. ”
Podsumowując, „pomocne jest wymyślenie wszystkich możliwych układów planetarnych, które mogą tam być” - powiedział Raymond. „Niektórych odkryć można było przewidzieć,„ idąc tam ”i wyobrażając sobie możliwości, które znacznie wykraczają poza normę. Systemy te są kombinacją science fiction i„ idąc tam ”w tym sensie”.
„Najważniejsze, co robię, to po prostu przekraczanie granic tego, co naszym zdaniem jest możliwe” - podsumował Raymond.
