Ogromno število potencialno bivalnih planetov bi lahko teoretično obstajalo v stabilnih orbitah okoli supermasivne črne luknje, kot je na primer izmišljeni Gargantua iz filma "Interstellar" iz leta 2014.
(Slika: © Paramount Pictures)
Črna luknja bi lahko imela okrog nje okoli orbita milijon planetov, ki bi lahko podpirali življenje, kot ga poznamo, pravi astrofizik.
Ker na Zemlji živi skoraj povsod tekoča voda, astronomi pogosto ocenjujejo svet kot potencialno bivalni, če kroži v območju, kjer lahko tekoča voda preživi na njegovi površini. Naše sončno "bivalno območje" gosti samo en planet (Zemljo), vendar bi bila lahko zgodba drugačna za druge zvezde. Na primer, sistem TRAPPIST-1 ima v svoji bivalni coni tri planete Zemlje.
Sean Raymond, astrofizik na Observatoriju v Bordeauxu v Franciji, raziskuje, kako se planetarni sistemi oblikujejo in razvijajo. Kot del kolumne, ki jo Raymond piše z naslovom »Gradimo ultimativni sončni sistem«, si je ogledal, koliko planetov lahko kroži v črno luknjo. [Najbolj čudne črne luknje v vesolju]
"Mislim, da se lahko iz skrajnosti učimo ... v bistvu so to meje polja, v katerem iščemo," je za Space.com povedal Raymond. "Ta sistem je ena skrajnost - najbolj zapakirana. To je zabavna mešanica domišljije in znanosti."
Trenutno obstaja dve vrsti črnih lukenj, ki ju znanstveniki najbolje poznajo, je dejal Raymond. Črne luknje zvezdne mase so v masi enake nekaj soncem in nastanejo, ko orjaške zvezde umrejo in se zrušijo nase. Supermasivne črne luknje so milijone do milijarde krat večje od sončne mase in domnevajo, da obstajajo v srcih večine, če ne celo vseh velikih galaksij. (Črne luknje vmesne mase tretjega razreda se slabo razumejo.)
Črne luknje so izjemno kompaktne. Črna luknja z maso sonca bi bila široka približno 3,7 milje. Za primerjavo, Strelec A *, supermasivna črna luknja, ki naj bi se skrivala v središču Mlečne poti, ima maso približno 4 milijone soncev in premer 23,6 milijona kilometrov, ali nekaj več kot 40 odstotek velikosti Merkurijeve orbite okoli sonca.
Kaj če bi sonce imelo spremljevalko črne luknje?
Pogosto vprašanje pri pouku fizike je predstavljati, kaj bi se spremenilo, če bi sonce zamenjali s črno luknjo iste mase, je dejal Raymond. Odgovor je, da se glede orbite planetov ne bi spremenilo nič - če bi imela črna luknja enako maso kot sonce, bi orbite ostale enake. (V takšnem scenariju bi življenje na Zemlji očitno trpelo zaradi pomanjkanja svetlobe in toplote.)
Če bi sonce v bližini krožilo v spremstvu črne luknje z enako maso - na primer pri eni desetini astronomske enote (AU) - se orbite planetov osončja ne bi kaj dosti spremenile, je poudaril Raymond. (Ena AU je razdalja Zemlja – sonce - približno 93 milijonov milj ali 150 milijonov km.)
Kljub temu, če predpostavljamo, da so se ti planeti držali enake oddaljenosti od sonca kot zdaj, bi gravitacijski poteg sonca in njegovega partnerja iz črne luknje pripeljal do tega, da bi svet malo hitreje končal svoje orbite, saj se bo Zemljino leto zmanjšalo s 365 dni na 258 dni, je rekel.
V zgornjem scenariju bi sonce in črna luknja končali orbito med seboj vsakih 2,9 dni. To pomeni, da bi količina energije, ki bi jo Zemlja dobila od sonca, nihala med 90 odstotki in 110 odstotki njenega povprečja, ko se je sonce premikalo dlje od Zemlje ali bližje njej.
"To je tako, kot da bi se premetavali med New Yorkom in Miamijem in nazaj vsakih 2,9 dni," je opozoril Raymond. [Kviz o črni luknji: kako dobro poznate čudne stvaritve narave?]
Kaj pa, če bi imela supermasivna črna luknja obroč planetov?
Poleg tega, da si je zamislil življenje okoli črne luknje zvezdne mase, je Raymond izračunal tudi, koliko potencialno bivalnih planetov se lahko prilega okoli supermasivne črne luknje, ki je 1 milijonkrat večja od sončne mase. "To je skoraj tako množično kot tisto v središču Mlečne poti," je dejal. Šlo bi le za premer sonca, je dodal.
Okoli sonca se lahko orbite, ki jih potujejo planeti, približajo le tako blizu, preden učinki njihovih gravitacijskih potez premagajo sončne vplive, kar vodi v nestabilne orbite. Raymond je ugotovil, da se približno šest planetov Zemljine mase lahko ustali v stabilnih koncentričnih orbitah v sončnem območju, v katerem živi.
V nasprotju s tem je gravitacijski poteg supermasivne črne luknje izredno močan, dovolj, da zlahka premaga tiste planete. Če bi sonce zamenjali s črno luknjo z milijonsko sončno maso, bi se 550 planetov Zemljine mase lahko vklopilo v stabilne koncentrične orbite v bivalni coni, je izračunal Raymond.
Gravitacija supermasivne črne luknje bi se močneje vlekla na stran vsakega planeta bližje črni luknji. To bi raztegnilo planete, ki jih lahko bivajo v coni, čeprav ne bi bili dovolj blizu, da bi se raztrgali, je dejal Raymond.
Eden od načinov za ustvarjanje bivalne cone okoli te supermasivne črne luknje je postavitev zvezd med njo in planete. Raymond je dejal, da bi obroč z devetimi sončnimi zvezdicami, 0,5 AU iz črne luknje z milijon sonca, naredil vsakega od 550 planetov Zemljine mase v zgornjem scenariju.
"Bilo bi precej zanimivo živeti na planetu v tem sistemu," je opozoril Raymond. "V orbiti okoli črne luknje bi bilo potrebnih le nekaj dni - približno 1,6 dni na notranjem robu bivalne cone in 4,6 dni na zunanjem robu." [10 eksoplanetov, ki bi lahko gostili življenje tujcev]
Ob najbližjem pristopu ali konjunkciji med dvema takšnima planetoma bi bila razdalja med tema svetoma "približno dvakrat daljša od Zemlje in Lune," je opozoril Raymond. "V povezavi se vsak najbližji sosed vsakega planeta pojavi približno dvakrat večji od polne lune na nebu."
Poleg tega bi bili naslednji najbližji sosedje le dvakrat bolj oddaljeni in tako bi bili med konjunkcijo tako veliki kot polna luna, je dejal Raymond. Štirje planeti bi bili med konjunkcijo vsaj za polovico manjši od polne lune, je dodal. "Povezave se zgodijo nekoliko manj kot enkrat na orbito, zato vsakih nekaj dni skozi nebo prehaja velikanski predmet," je dejal.
Devet soncev "bi bilo tudi opazovati," je dejal Raymond. Vsak bi svojo orbito okoli črne luknje dokončal vsake 3 ure.
"To pomeni, da bi vsakih 20 minut za črno luknjo zašel en sonček," je dejal Raymond. "Ko sonce preide za črno luknjo, gravitacija črne luknje upogne svojo svetlobo in lahko deluje kot leča. Osredotoča sončno svetlobo proti planetu. To izkrivlja obliko sonca v obroč ... precej sladka svetloba pokaži. "
Poleg tega bi zvezdna svetloba raztezala gravitacija črne luknje. "Zvezde bližje črni luknji bi bile videti bolj rdeče, tiste dlje od črne luknje pa bi bile bolj modre," je dejal Raymond.
Milijon planetov okoli črne luknje
V prejšnjem scenariju je bil vsak planet sam v svoji orbiti okoli supermasivne črne luknje. Raymond je modeliral tudi, kaj bi se zgodilo, če bi več planetov delilo orbito okoli črne luknje z milijon sonca. Pred tem je Raymond izračunal, da lahko 42 planetov Zemljine mase kroži v obroču 1 AU od sonca.
Da bi imel stabilen obroč planetov, je Raymond ugotovil, da morajo imeti planeti v tem obroču približno enako maso. V takšnem obroču mora biti tudi najmanj sedem planetov, ki morajo biti enakomerno razporejeni vzdolž krožne orbite.
Glede na milijonsko črno luknjo z orbitastim obročem iz devetih zvezd, podobnih soncu, je Raymond izračunal, da lahko milijon planetov Zemljine mase kroži znotraj območja bivanja v 400 obročih, pri čemer ima vsak 2500 2500 planetov, razmaknjenih na približno enako razdaljo kot to med Zemljo in Luno. V tem primeru bi planeti ponovno potrebovali od 1,6 do 4,6 dni, da bi opravili orbito. [Najbolj čudne črne luknje v vesolju]
Namesto da bi med črno luknjo in planete postavil devet zvezd, podobnih soncu, je Raymond tudi predlagal, da bi lahko v obroč 6 AU postavili 36 soncu podobnih zvezd. V tem scenariju je "vsak planet kopan v sončni svetlobi z vseh strani - planeti nimajo nočne strani," je dejal Raymond. "To je kot Asimov stalni dnevni planet Kalgaš."
"V teh sistemih se nikoli ne bi počutili sami - ostali planeti bi se na nebu znašli ogromno," je dodal Raymond. Sosednji planeti bi bili približno 10-krat bližje, kot je Luna do Zemlje, kar pomeni, da bi bili na nebu približno 40-krat večji od polne lune, "je dejal Raymond. "To je približno velikost prenosnega računalnika, ki je na dosegu roke, samo na nebu."
V tem zadnjem scenariju bi bili planeti veliko bližje črni luknji, ki bi vsako orbito zaključili v približno 9 urah. To pomeni, da bi krožili z izjemno hitrostjo - približno 10 odstotkov hitrosti svetlobe. Po Einsteinovi teoriji posebne relativnosti se zdi, da se čas premika opazno počasneje, ko se bliža hitrost svetlobe, tako da bi "dva otroka, rojena v istem trenutku v različnih obročih, starala z nekoliko drugačno hitrostjo," je dejal Raymond. "Dojenček na notranjem obroču bi staril nekoliko počasneje."
Razlike v hitrosti med obročki bi bile dovolj velike, da bi verjetno onemogočile, da bi vesoljska ladja lahko potovala iz enega obroča v drugega s katero koli trenutno tehnologijo, je dejal Raymond. Vendar bi vsak svet delil svoj obroč s tisoči drugih, relativna hitrost med sosednjimi planeti pa bi bila skoraj nič. "Vesoljsko dvigalo bi lahko povezalo planete," je dejal Raymond.
Če bi se vsak par sosednjih planetov vzdolž določenega obroča povezoval, bi bil podoben "Ringworld", velikanski tujerodni megastrukturi iz istoimenskega znanstvenofantastičnega epa Larryja Nivena. "Razlika med to postavitvijo in" Ringworldom "iz knjige Larryja Nivena je v tem, da v tem primeru med planeti ni nobene žive površine," je dejal Raymond.
Od kod takšni sistemi z milijoni planetov? "Lahko si predstavljam, da so super napredni vesoljci ustvarili sistem, kot je sončni sistem z milijoni Zemlje, kot kozmično umetniško delo, podobno kot umetnost nebotičnikov ali naslikanih ledenih sten," je dejal Raymond. "Način, da rečemo:" Poglejte, kako zelo smo si zaželeni, "na največji lestvici."
"Ali pa bi morda vesoljci ustvarili tak sistem kot živalski vrt," je dejal Raymond. "V podnebjih bi lahko imeli naklona od najbolj vročih do najhladnejših, planete pa bi imeli na zalogi z vsemi vrstami bitja, ki ga nabirajo po vesolju. Seveda bi morali biti previdni, da ne bi napačnih kombinacij vesoljskih bitij postavili na isti obroč planetov, ker se to ne bi končalo dobro. "
Na splošno je "koristno, da poskušamo predstaviti vse možne planetarne sisteme, ki bi bili morda zunaj," je dejal Raymond. "Nekatera odkritja bi lahko predvideli, če bi šli tja in si zamislili možnosti, ki so daleč zunaj norme. Ti sistemi so kombinacija znanstvene fantastike in" tja "v tem smislu."
"Glavna stvar, ki jo grem, je preprosto poskusiti potisniti meje tistega, kar mislimo, da je mogoče," je zaključil Raymond.
