Krótko po tym, jak Einstein opublikował swoją Teorię ogólnej teorii względności w 1915 roku, fizycy zaczęli spekulować na temat istnienia czarnych dziur. Te regiony czasoprzestrzeni, z których nic (nawet światło) nie może uciec, są naturalnie występujące pod koniec cyklu życia większości masywnych gwiazd. Podczas gdy czarne dziury są ogólnie uważane za żarłocznych zjadaczy, niektórzy fizycy zastanawiają się, czy mogliby również wspierać własne systemy planetarne.
Chcąc odpowiedzieć na to pytanie, dr Sean Raymond - amerykański fizyk z University of Bourdeaux - stworzył hipotetyczny układ planetarny, w którym czarna dziura leży w centrum. Na podstawie serii obliczeń grawitacyjnych ustalił, że czarna dziura byłaby w stanie utrzymać dziewięć pojedynczych Słońc na stabilnej orbicie wokół niej, która byłaby w stanie utrzymać 550 planet w strefie zamieszkiwalnej.
Ten hipotetyczny układ nazwał „Ostatecznym Układem Słonecznym Czarnej Dziury”, który składa się z nie obracającej się czarnej dziury, która jest milion razy masywniejsza niż Słońce. Jest to w przybliżeniu jedna czwarta masy Strzelca A *, supermasywnej czarnej dziury (SMBH), która znajduje się w centrum Galaktyki Drogi Mlecznej (która zawiera 4,31 miliona mas Słońca).
Jak wskazuje Raymond, jedną z bezpośrednich zalet posiadania tej czarnej dziury w centrum systemu jest to, że może on obsługiwać dużą liczbę Słońc. Ze względu na swój system Raymond wybrał 9, sądząc, że wskazuje, że wiele więcej można by utrzymać dzięki czystemu wpływowi grawitacyjnemu centralnej czarnej dziury. Jak napisał na swojej stronie internetowej:
„Biorąc pod uwagę, jak ogromna jest czarna dziura, jeden pierścień może pomieścić do 75 słońc! Ale to przesunęłoby strefę zamieszkania na zewnątrz dość daleko i nie chcę, aby system się zbytnio rozprzestrzenił. Wykorzystam więc 9 Słońc w pierścieniu, który przesuwa wszystko trzykrotnie. Ustawmy pierścień na 0,5 AU, daleko poza najbardziej wewnętrzną stabilną orbitą kołową (około 0,02 AU), ale dobrze wewnątrz strefy zamieszkania (od około 2,7 do 5,4 AU). ”
Inną ważną zaletą posiadania czarnej dziury w środku układu jest to, że zmniejsza ona tak zwany „promień wzgórza” (inaczej: kula wzgórza lub kula Roche). Zasadniczo jest to obszar wokół planety, gdzie jego grawitacja jest dominująca nad gwiazdą, którą krąży, i dlatego może przyciągać satelity. Według Raymonda promień wzgórza planety byłby 100 razy mniejszy wokół czarnej dziury o wartości miliona Słońca niż wokół Słońca.
Oznacza to, że dany region przestrzeni mógłby stabilnie zmieścić 100 razy więcej planet, gdyby krążyły wokół czarnej dziury zamiast Słońca. Jak wyjaśnił:
„Planety mogą być bardzo blisko siebie, ponieważ grawitacja czarnej dziury jest tak silna! Jeśli planety są małymi zabawkami Samochody z gorącymi kołami, większość układów planetarnych jest ułożona jak normalne autostrady (uwaga: uwielbiam gorące koła). Każdy samochód pozostaje na swoim pasie, ale samochody są znacznie mniejsze niż odległość między nimi. Wokół czarnej dziury układy planetarne można zmniejszyć do torów o rozmiarach Hot Wheels. Samochody z gorącymi kołami - nasze planety - w ogóle się nie zmieniają, ale mogą pozostać stabilne, będąc znacznie bliżej siebie. Nie dotykają się (nie byłoby to stabilne), są po prostu bliżej siebie ”.
To pozwala na umieszczenie wielu planet w strefie mieszkalnej systemu. Opierając się na promieniu Ziemi, Raymond szacuje, że około sześciu planet o masie ziemskiej mogłoby zmieścić się na stabilnych orbitach w tej samej strefie wokół naszego Słońca. Jest to oparte na fakcie, że planety masy Ziemi mogłyby być oddalone od siebie w przybliżeniu o 0,1 AU i utrzymywać stabilną orbitę.
Biorąc pod uwagę, że strefa zamieszkana przez Słońce odpowiada mniej więcej odległościom Wenus i Marsa - odpowiednio 0,3 i 0,5 AU - oznacza to, że jest 0,8 AU miejsca do pracy. Jednak wokół czarnej dziury z 1 milionem mas słonecznych najbliższa sąsiadująca planeta może wynosić zaledwie 1/1000th (0,001) oddalonej jednostki AU i nadal ma stabilną orbitę.
Robiąc matematykę, oznacza to, że około 550 Ziem może zmieścić się w tym samym regionie krążącym wokół czarnej dziury i jej dziewięciu Słońc. Jest jedna drobna wada tego całego scenariusza, polegająca na tym, że czarna dziura musiałaby pozostać przy obecnej masie. Gdyby stał się większy, spowodowałby, że promienie wzgórza jego 550 planet zmniejszałyby się coraz bardziej.
Gdy promień Wzgórza spadnie do punktu, w którym byłby tego samego rozmiaru co każda z planet o masie ziemskiej, czarna dziura zacznie je rozrywać. Ale przy 1 milionach mas Słońca czarna dziura jest w stanie wygodnie obsłużyć ogromny system planet. „Z naszą czarną dziurą za milion Słońca Słońce promień Wzgórza Ziemi (na bieżącej orbicie) byłby już na granicy, niewiele ponad dwukrotnie rzeczywisty promień Ziemi” - mówi.
Wreszcie Raymond zastanawia się nad konsekwencjami życia w takim systemie. Po pierwsze, rok na dowolnej planecie w strefie zamieszkiwanej przez system byłby znacznie krótszy, z uwagi na fakt, że ich okresy orbitalne byłyby znacznie szybsze. Zasadniczo rok trwałby około 1,6 dnia w przypadku planet na wewnętrznej krawędzi strefy nadającej się do zamieszkania i 4,6 dnia w przypadku planet na zewnętrznej krawędzi strefy nadającej się do zamieszkania.
Ponadto na powierzchni dowolnej planety w układzie niebo byłoby znacznie bardziej zatłoczone! Przy tak wielu planetach na bliskiej orbicie przelatywałyby one bardzo blisko siebie. Zasadniczo oznacza to, że z powierzchni dowolnej Ziemi ludzie będą mogli zobaczyć pobliskie Ziemie tak jasne, jak widzimy Księżyc w niektóre dni. Jak zilustrował Raymond:
„Przy najbliższym zbliżeniu (koniunkcji) odległość między planetami jest około dwa razy większa niż odległość Ziemia-Księżyc. Wszystkie te planety są wielkości Ziemi, około 4 razy większe niż Księżyc. Oznacza to, że w połączeniu najbliższy sąsiad każdej planety pojawia się około dwa razy większy niż księżyc w pełni na niebie. I są dwaj najbliżsi sąsiedzi, wewnętrzny i zewnętrzny. Co więcej, najbliżsi sąsiedzi są dwa razy dalej, więc podczas połączenia są jeszcze tak duże jak Księżyc w pełni. I jeszcze cztery planety, które byłyby co najmniej o połowę mniejsze niż Księżyc w pełni podczas połączenia. ”
Wskazuje również, że koniunkcje występowałyby prawie raz na orbitę, co oznaczałoby, że co kilka dni nie zabraknie gigantycznych obiektów przechodzących przez niebo. I oczywiście byłyby same Słońce. Czy przypominasz sobie scenę z Gwiezdnych wojen, w której młody Luke Skywalker obserwuje dwa słońca zachodzące na pustyni? Cóż, byłoby trochę tak, z wyjątkiem znacznie bardziej fajnego!
Według obliczeń Raymonda, dziewięć Słońc wykona orbitę wokół czarnej dziury co trzy godziny. Co dwadzieścia minut jedno z tych Słońc przechodziło za czarną dziurą, zabierając to tylko 49 sekund. W tym momencie nastąpiłoby soczewkowanie grawitacyjne, w którym czarna dziura skupiałaby światło Słońca w kierunku planety i zniekształcałaby pozorny kształt Słońca.
Aby zilustrować, jak to by wyglądało, przedstawia animację (pokazaną powyżej) stworzoną przez @GregroxMun - modelarza planet, który opracowuje grafikę kosmiczną dla Kerbala i innych programów - za pomocą silnika kosmicznego.
Chociaż taki system może nigdy nie występować w naturze, warto wiedzieć, że taki system byłby fizycznie możliwy. I kto wie? Być może wystarczająco zaawansowany gatunek, zdolny do holowania gwiazd i planet z jednego układu i umieszczania ich na orbicie wokół czarnej dziury, mógłby ukształtować ten Ultimate Solar System. Być może coś dla badaczy SETI?
To hipotetyczne ćwiczenie było drugą częścią dwuczęściowej serii Raymonda zatytułowanej „Czarne dziury i planety”. W pierwszej części „Układu słonecznego Black Hole” Raymond zastanawiał się, jak by to było, gdyby nasz system krążył wokół układu podwójnego czarnej dziury-Słońca. Jak wskazał, konsekwencje dla Ziemi i innych planet słonecznych byłyby co najmniej interesujące!
Raymond ostatnio rozwinął również system Ultimate Solar, proponując system słoneczny Million Earth. Sprawdź je wszystkie na jego stronie internetowej PlanetPlanet.net.
