Obrovské množstvo potenciálne obývateľných planét by teoreticky mohlo existovať na stabilných obežných dráhach okolo supermasívnej čiernej diery, ako je napríklad fiktívna Gargantua z filmu Interstellar z roku 2014.
(Obrázok: © Paramount Pictures)
Čierna diera by mohla mať blízko seba 1 milión planét, ktoré sú potenciálne schopné podporovať život, ako ho poznáme, naznačuje astrofyzik.
Pretože existuje život prakticky všade, kde na Zemi existuje tekutá voda, astronómovia často považujú svet za potenciálne obývateľný, ak obieha v zóne, kde by tekutá voda mohla prežiť na svojom povrchu. „Obyvateľná zóna“ nášho slnka je hostiteľom iba jednej planéty (Zeme), ale príbeh môže byť pre iné hviezdy iný. Napríklad systém TRAPPIST-1 má vo svojej obývateľnej zóne tri planéty Zemskej veľkosti.
Sean Raymond, astrofyzik na Observatóriu v Bordeaux vo Francúzsku, skúma, ako sa planétové systémy formujú a vyvíjajú. Ako súčasť stĺpca píše Raymond s názvom „Budovanie konečnej slnečnej sústavy“ a vydal sa pozrieť, koľko planét môže obísť čiernu dieru. [Najpodivnejšie čierne diery vo vesmíre]
„Myslím, že sa môžeme poučiť z extrémov ... v podstate sú to hranice poľa, v ktorom hľadáme,“ povedal Raymond pre Space.com. „Tento systém je jeden extrém - najobsiahlejší si možno predstaviť. Je to zábavná zmes fantázie a vedy.“
Vedci v súčasnosti vedia najlepšie dva druhy čiernych dier, povedal Raymond. Čierne diery s hviezdnou hmotnosťou sa rovnajú hmote niekoľkým slnkom a vytvárajú sa, keď obrovské hviezdy zomierajú a padajú na seba. Supermasívne čierne diery sú milióny až miliardy krát hmotnosťou Slnka a predpokladá sa, že existujú v srdciach väčšiny, ak nie všetkých veľkých galaxií. (Tretia trieda, čierne diery strednej hmotnosti, je zle pochopená.)
Čierne diery sú mimoriadne kompaktné. Čierna diera s hmotnosťou slnka by mala byť široká iba asi 3,7 míle (6 km). Na porovnanie, Strelec A *, superhmotná čierna diera, o ktorej sa predpokladá, že sa skrýva v centre Mliečnej dráhy, má hmotnosť približne 4 milióny slnka a priemer asi 23,7 milióna km, alebo niečo viac ako 40 percento veľkosti ortuťovej obežnej dráhy okolo Slnka.
Čo ak má slnko spoločníka s čiernymi dierami?
Bežnou otázkou v hodinách fyziky je predstaviť si, čo by sa zmenilo, keby sa slnko nahradilo čiernou dierou rovnakej hmotnosti, povedal Raymond. Odpoveď je, že by sa nič nezmenilo, pokiaľ ide o obežné dráhy planét - ak by čierna diera mala rovnakú hmotnosť ako slnko, obežné dráhy by zostali rovnaké. (Život v tejto situácii by zjavne trpel nedostatkom svetla a tepla, dodal Raymond.)
Keby bolo na slnku blízko obkľúčujúce čierne diery s rovnakou hmotnosťou - napríklad na jednej desatine astronomickej jednotky (AU) - obežné dráhy planét slnečnej sústavy by sa príliš nezmenili, poznamenal Raymond. (Jedna AU je vzdialenosť Zem - Slnko - asi 93 miliónov míľ, alebo 150 miliónov km.)
Za predpokladu, že sa tieto planéty budú udržiavať v rovnakej vzdialenosti od Slnka ako dnes, gravitačná sila Slnka a jeho čiernej diery povedie tieto svety k tomu, aby dokončili svoje dráhy trochu rýchlejšie, pričom rok Zeme klesne z 365 dní na 258 rokov. dní, povedal.
Vo vyššie uvedenom scenári by slnko a čierna diera dokončili obežnú dráhu navzájom každých 2,9 dní. To znamená, že množstvo energie, ktorú by Zem získala od Slnka, kolísalo medzi 90% a 110% svojho priemeru, keď sa Slnko posunulo ďalej alebo bližšie k Zemi.
„Je to ako poskakovať medzi New Yorkom a Miami a späť každých 2,9 dňa,“ poznamenal Raymond. [Kvíz Black Hole: Ako dobre poznáte najpodivnejšie výtvory prírody?]
Čo keby mala supermasívna čierna diera prsteň planét?
Okrem predstavenia si života okolo čiernej diery s hviezdnou hmotnosťou Raymond tiež spočítal, koľko potenciálne obývateľných planét by sa mohlo zmestiť okolo supermasívnej čiernej diery miliónnásobok hmotnosti Slnka. „To je takmer také masívne ako v strede Mliečnej dráhy,“ povedal. Dodal, že by to bolo len o priemere slnka.
Okolo slnka môžu obežné dráhy, ktoré planéty cestujú, prísť len tak blízko seba, než účinky gravitačných ťahov premôcť tie slnečné, ktoré vedú k nestabilným obehovým dráham. Raymond poznamenal, že okolo šiestich planét Zeme sa môže vojsť do stabilných sústredných obežných dráh v zóne Slnka obývateľnej.
Na rozdiel od toho, gravitačný ťah supermasívnej čiernej diery je mimoriadne silný, dosť ľahko premôcť tie planéty. Keby bolo slnko nahradené čiernou dierou s miliónmi slnečných hmôt, 550 planét Zemskej hmoty by sa mohlo zmestiť do stabilných sústredných dráh v obývateľnej zóne, vypočítal Raymond.
Gravitácia superhmotnej čiernej diery by sa silnejšie ťahala po stranách každej planéty bližšie k čiernej diere. To by roztiahlo planéty obývateľnej zóny, hoci by neboli dosť blízko na to, aby sa roztrhli, povedal Raymond.
Jedným zo spôsobov vytvorenia obývateľnej zóny okolo tejto superhmotnej čiernej diery je umiestnenie hviezd medzi ňu a planéty. Prsteň deviatich hviezd podobných Slnku 0,5 AU z čiernej diery s miliónmi slnečných lôpt by potenciálne umožnil obývanie každej z 550 planét Zeme vo vyššie uvedenom scenári, povedal Raymond.
„Bolo by dosť zaujímavé žiť na planéte v tomto systéme,“ poznamenal Raymond. „Dokončenie obežnej dráhy okolo čiernej diery by trvalo len niekoľko dní - asi 1,6 dňa na vnútornom okraji obývateľnej zóny a 4,6 dňa na vonkajšom okraji.“ [10 exoplanet, ktoré by mohli byť hostiteľom mimozemského života]
Pri najbližšom prístupe alebo spojení medzi dvoma takými planétami by vzdialenosť medzi týmito svetmi bola „približne dvojnásobná vzdialenosť Zem-mesiac“, poznamenal Raymond. „Spoločne sa najbližší sused každej planéty objaví na oblohe asi dvakrát väčšia ako spln.“
Okrem toho by najbližší susedia boli len dvakrát tak vzdialení, a tak sa počas spojenia javí rovnako veľký ako spln, povedal Raymond. Dodal, že ďalšie štyri planéty budú mať počas spojenia aspoň polovicu veľkosti splnu. „Konjunkcie sa vyskytujú o niečo menej ako raz na obežnú dráhu, takže každých pár dní cez oblohu prechádza hádka obrovských predmetov,“ povedal.
Deväť slnka „by tiež bolo vidieť,“ povedal Raymond. Každý by dokončil svoju obežnú dráhu okolo čiernej diery každé 3 hodiny.
„To znamená, že každých 20 minút prechádza jedno zo sĺnk za čiernou dierou,“ povedal Raymond. „Keď slnko prechádza za čiernu dieru, gravitácia čiernej diery ohýba svoje svetlo a môže pôsobiť ako šošovka. Zameriava slnečné svetlo na planétu. Toto skresľuje tvar slnka na prsteň ... celkom milé svetlo šou."
Okrem toho by hviezdu predlžovala gravitácia čiernej diery. „Hviezdy bližšie k čiernej diere sa javia červenšie a tie, ktoré sú ďalej od čiernej diery, sa zdajú byť modrejšie,“ povedal Raymond.
Milión planét okolo čiernej diery
V predchádzajúcom scenári bola každá planéta sama na svojej obežnej dráhe okolo supermasívnej čiernej diery. Raymond tiež modeloval, čo by sa stalo, keby viac planét zdieľalo obežnú dráhu okolo čiernej diery s miliónom slnečných lúčov. Raymond predtým spočítal, že 42 planét Zem-hmota môže obiehať v kruhu 1 AU od Slnka.
Aby Raymond mal stabilný kruh planét, poznamenal, že všetky planéty v tomto kruhu musia mať zhruba rovnakú hmotnosť. V takomto krúžku musí byť najmenej sedem planét a musia byť rovnomerne rozmiestnené pozdĺž kruhovej obežnej dráhy.
Vzhľadom na čiernu dieru s miliónmi slnečných lúčov s obiehajúcim kruhom deviatich slnečných hviezd vypočítal Raymond, že milión planét Zemskej hmotnosti by mohol obiehať v obývateľnej zóne v 400 prstencoch, z ktorých každá držala 2 500 planét od seba vzdialených približne v rovnakej vzdialenosti ako táto. medzi Zemou a Mesiacom. V tomto scenári by na dokončenie obežnej dráhy trvalo približne 1,6 až 4,6 dňa. [The Strangest Black Holes in the Universe]
Namiesto toho, aby medzi čiernu dieru a planéty umiestnil deväť hviezd podobných slnku, Raymond tiež navrhol umiestniť 36 hviezd podobných slnku do prstenca širokého 6 AU. V tomto scenári „každá planéta je kúpaná na slnečnom svetle zo všetkých strán - planéty nemajú nočnú stranu,“ povedal Raymond. "Je to ako Asimovova denná planéta Kalgash."
„V týchto systémoch by ste sa nikdy necítili sami - ostatné planéty by sa na oblohe objavovali obrovské,“ dodal Raymond. Susedné planéty by boli asi desaťkrát bližšie ako Mesiac na Zemi, čo znamená, že by sa na oblohe objavili „asi štyrikrát väčšie ako Mesiac v úplňku“, povedal Raymond. „To je asi veľkosť prenosného počítača držaného na dosah ruky, iba hore na oblohe.“
V tomto druhom scenári by boli planéty oveľa bližšie k čiernej diere, pričom každá z nich dokončí obežnú dráhu iba za asi 9 hodín. To znamená, že by obiehali neobvyklou rýchlosťou - asi 10 percent rýchlosti svetla. Podľa Einsteinovej teórie špeciálnej relativity sa zdá, že čas sa pohybuje zreteľne pomalšie, čím bližšie je rýchlosť svetla, takže „dve deti narodené v rovnakom okamihu na rôznych krúžkoch budú starnúť mierne odlišnou rýchlosťou,“ povedal Raymond. „Dieťa na vnútornom krúžku bude starnúť o niečo pomalšie.“
Rozdiely v rýchlosti medzi prsteňmi by boli dosť veľké na to, aby pravdepodobne znemožnili vesmírnej lodi cestovať z jedného prsteňa do druhého pri akejkoľvek súčasnej technológii, povedal Raymond. Každý svet by však zdieľal svoj prsteň s tisíckami ďalších a relatívna rýchlosť medzi susednými planétami by bola takmer nulová. „Vesmírny výťah by mohol spojiť planéty,“ povedal Raymond.
Keby bola každá dvojica susedných planét pozdĺž daného prstenca prepojená, podobalo by sa to „Ringworld“, obrovskej mimozemskej megastruktúre v sci-fi eure Larryho Nivica s rovnakým menom. „Rozdiel medzi týmto nastavením a„ prsteňom “z knihy Larryho Nivena spočíva v tom, že v tomto prípade medzi planétami nie je žiadna obývateľná plocha,“ povedal Raymond.
Odkiaľ môžu pochádzať také miliónové planétové systémy? „Viem si predstaviť super pokročilých cudzincov, ktorí vytvárajú systém ako slnečná sústava miliónov dolárov ako kozmické umelecké dielo, niečo ako mrakodrapy alebo maľované ľadovce,“ povedal Raymond. „Spôsob, ako povedať:„ Pozrite sa, ako sme radi, “v najväčšom meradle.“
„Alebo by mimozemšťania vytvorili tento druh systému ako zoologickú záhradu,“ povedal Raymond. „Mohli by mať gradient v podnebí od najteplejších k najchladnejších a zásobiť planéty všetkými druhmi stvorení, ktoré zhromažďujú v celom vesmíre. Samozrejme, mali by byť opatrní, aby neuviedli nesprávne kombinácie vesmírnych tvorov na rovnaký kruh planét, pretože by to neskončilo dobre. ““
Celkovo vzaté, „je užitočné pokúsiť sa prísť so všetkými možnými planetárnymi systémami, ktoré by tam mohli byť,“ povedal Raymond. „Niektoré objavy sa dali predvídať„ ísť tam “a predstaviť si možnosti, ktoré sú ďaleko za hranicou normy. Tieto systémy sú kombináciou sci-fi a„ tam idú “v tomto zmysle.“
„Hlavnou vecou, ktorú hľadám, je jednoducho pokúsiť sa posunúť hranice toho, čo považujeme za možné,“ uzavrel Raymond.
