Огромное количество потенциально обитаемых планет теоретически может существовать на стабильных орбитах вокруг сверхмассивной черной дыры, таких как вымышленный Гаргантюа из фильма 2014 года "Межзвездный".
(Изображение: © Paramount Pictures)
Астрофизик предполагает, что черная дыра может иметь около 1 миллиона вращающихся вокруг нее планет, которые потенциально способны поддерживать жизнь, как мы ее знаем.
Поскольку жизнь существует практически везде, где на Земле существует жидкая вода, астрономы часто считают мир потенциально пригодным для обитания, если он вращается в зоне, где жидкая вода может выжить на ее поверхности. "Обитаемая зона" нашего Солнца содержит только одну планету (Землю), но для других звезд эта история может отличаться. Например, система TRAPPIST-1 имеет три планеты размером с Землю в своей обитаемой зоне.
Шон Рэймонд, астрофизик из Обсерватории Бордо во Франции, исследует, как формируются и развиваются планетные системы. В рамках колонки, которую Рэймонд пишет под названием «Построение Высшей Солнечной Системы», он решил посмотреть, сколько планет может вращаться вокруг черной дыры. [Самые странные черные дыры в космосе]
«Я думаю, что мы можем извлечь уроки из крайностей ... они - в основном границы коробки, в которой мы ищем», сказал Реймонд Space.com. «Эта система - одна крайность - самая упакованная из всех, что только можно представить. Это забавная смесь воображения и науки».
По словам Раймонда, в настоящее время есть два вида черных дыр, которые ученые знают лучше всего. Черные дыры звездной массы по массе равны нескольким солнцам и образуются, когда гигантские звезды умирают и падают на себя. Сверхмассивные черные дыры в миллионы-миллиарды раз больше массы Солнца и, как полагают, существуют в сердцах большинства, если не всех, больших галактик. (Третий класс, черные дыры средней массы, плохо изучен.)
Черные дыры чрезвычайно компактны. Черная дыра с массой Солнца будет иметь ширину всего около 3,7 миль (6 километров). Для сравнения, Стрелец А *, сверхмассивная черная дыра, которая, как считается, скрывается в самом сердце Млечного Пути, имеет массу около 4 миллионов солнц и диаметр около 14,7 миллионов миль (23,6 миллиона км), или чуть больше 40 процентов от размера орбиты Меркурия вокруг Солнца.
Что, если у Солнца был спутник черной дыры?
Обычный вопрос на уроках физики - представить, что изменится, если солнце заменит черная дыра той же массы, сказал Рэймонд. Ответ в том, что ничего не изменится относительно орбит планет - если бы черная дыра имела такую же массу, что и солнце, орбиты остались бы такими же. (Жизнь на Земле, очевидно, пострадает от недостатка света и тепла при таком сценарии, добавил Рэймонд.)
Рэймонд отметил, что если бы у Солнца был спутник черной дыры равной массы, вращающийся вокруг него - скажем, в одной десятой части астрономической единицы (AU) - орбиты планет Солнечной системы не сильно изменились бы. (Один AU - это расстояние от Земли до Солнца - около 93 миллионов миль или 150 миллионов км.)
Тем не менее, предполагая, что эти планеты держатся на таком же расстоянии от Солнца, как и сейчас, гравитационное притяжение Солнца и его партнера по черной дыре приведет к тому, что эти миры завершат свои орбиты немного быстрее, а год Земли уменьшится с 365 дней до 258. дней, сказал он.
В приведенном выше сценарии Солнце и черная дыра будут совершать орбиты друг с другом каждые 2,9 дня. Это означает, что количество энергии, которое Земля получит от Солнца, будет колебаться от 90 до 110 процентов от ее среднего значения, когда Солнце перемещается дальше от Земли или ближе к ней.
«Это похоже на прыжки между Нью-Йорком и Майами и обратно каждые 2,9 дня», - отметил Рэймонд. [Black Hole Quiz: Насколько хорошо вы знаете самые странные творения природы?]
Что если бы сверхмассивная черная дыра имела кольцо планет?
В дополнение к представлению о жизни вокруг черной дыры звездной массы Рэймонд также рассчитал, сколько потенциально обитаемых планет может поместиться вокруг сверхмассивной черной дыры, в миллион раз превышающей массу Солнца. «Это почти так же массивно, как в центре Млечного Пути», - сказал он. Это будет только диаметр солнца, добавил он.
Вокруг Солнца орбиты, по которым движутся планеты, могут сблизиться настолько близко, что их гравитационное притяжение превзойдет влияние Солнца, что приведет к нестабильным орбитам. Рэймонд отметил, что около шести планет массы Земли могут поместиться на стабильных концентрических орбитах в пределах обитаемой солнечной зоны.
Напротив, гравитационное притяжение сверхмассивной чёрной дыры необычайно сильно, достаточно, чтобы легко сокрушить силы планет. Рэймонд подсчитал, что если бы Солнце было заменено черной дырой с миллионной солнечной массой, 550 планет земной массы могли бы находиться на стабильных концентрических орбитах в обитаемой зоне.
Гравитация сверхмассивной черной дыры сильнее притягивала бы сторону каждой планеты ближе к черной дыре. Рэймонд сказал, что это вытянет планеты обитаемой зоны, хотя они не будут достаточно близко, чтобы разорваться на части.
Один из способов создать обитаемую зону вокруг этой сверхмассивной черной дыры - разместить звезды между ней и планетами. По словам Рэймонда, кольцо из девяти похожих на солнце звезд на 0,5 а.е. из черной дыры с миллионом солнечных лучей сделает каждую из 550 планет масс Земли в приведенном выше сценарии потенциально пригодной для жизни.
«Было бы довольно интересно жить на планете в этой системе», - отметил Рэймонд. «Для завершения орбиты вокруг черной дыры потребуется всего несколько дней - около 1,6 дня на внутренней границе обитаемой зоны и 4,6 дня на внешней границе». [10 экзопланет, способных принять инопланетную жизнь]
При ближайшем сближении или соединении двух таких планет расстояние между этими мирами будет «примерно вдвое больше расстояния от Земли до Луны», отметил Рэймонд. «При соединении, ближайший сосед каждой планеты появляется примерно в два раза больше полной луны на небе».
Кроме того, ближайшие ближайшие соседи будут только в два раза дальше, и поэтому будут выглядеть такими же большими, как полная луна во время соединения, сказал Рэймонд. Он добавил, что еще четыре планеты будут как минимум вдвое меньше, чем полнолуние. «Соединения случаются чуть реже, чем один раз на орбите, поэтому каждые несколько дней по небу проходит множество гигантских объектов», - сказал он.
«Девять солнц» - это тоже зрелище, - сказал Рэймонд. Каждый будет завершать свою орбиту вокруг черной дыры каждые 3 часа.
«Это означает, что каждые 20 минут одно из солнц будет проходить за черной дырой», - сказал Реймонд. «Когда солнце проходит за черной дырой, гравитация черной дыры изгибает ее свет и может действовать как линза. Она фокусирует солнечный свет на планету. Это искажает форму солнца в кольцо ... довольно сладкий свет Показать."
Кроме того, звездный свет будет растягиваться гравитацией черной дыры. «Звезды ближе к черной дыре кажутся более красными, а те, что дальше от черной дыры, кажутся более голубыми», - сказал Реймонд.
Миллион планет вокруг черной дыры
В предыдущем сценарии каждая планета была одна на своей орбите вокруг сверхмассивной черной дыры. Рэймонд также смоделировал, что произойдет, если несколько планет разделят орбиту вокруг черной дыры миллионного солнца. Ранее Раймонд подсчитал, что 42 планеты массой Земли могут вращаться в кольце на расстоянии 1 а.е. от Солнца.
Чтобы иметь устойчивое кольцо планет, Рэймонд отметил, что все планеты в этом кольце должны иметь примерно одинаковую массу. В таком кольце должно быть не менее семи планет, и они должны быть равномерно распределены по круговой орбите.
Принимая во внимание черную дыру с миллионом солнечных лучей с орбитальным кольцом из девяти похожих на солнце звезд, Рэймонд подсчитал, что миллион планет массы Земли может вращаться в пределах обитаемой зоны в 400 кольцах, каждая из которых содержит 2500 планет, разнесенных на расстояние, примерно равное расстоянию. между землей и луной. В этом сценарии планетам снова понадобится от 1,6 до 4,6 дней, чтобы завершить орбиту. [Самые странные черные дыры во Вселенной]
Вместо того чтобы поместить девять похожих на солнце звезд между черной дырой и планетами, Рэймонд также предложил разместить 36 похожих на солнце звезд в кольце шириной 6 а.е. В этом сценарии «каждая планета залита солнечным светом со всех сторон - у планет нет ночной стороны», сказал Рэймонд. «Это как дневная планета Азимова Калгаш».
«Вы никогда не почувствуете себя одиноким в этих системах - другие планеты будут маячить в небе», - добавил Реймонд. Соседние планеты будут примерно в 10 раз ближе, чем Луна к Земле, а это значит, что они будут "примерно в 40 раз больше в небе, чем полная луна", сказал Рэймонд. «Это размером с ноутбук, который держится на расстоянии вытянутой руки, только в небе».
В этом последнем сценарии планеты будут гораздо ближе к черной дыре, каждая из которых завершит орбиту всего за 9 часов. Это означает, что они будут вращаться с необычайной скоростью - около 10 процентов скорости света. Согласно теории специальной теории относительности Эйнштейна, время, по-видимому, движется заметно медленнее, чем ближе к скорости света, так что «два ребенка, рожденные в одно и то же время на разных кольцах, будут стареть с немного разными скоростями», - сказал Реймонд. «Ребенок на внутреннем кольце будет стареть чуть медленнее».
По словам Рэймонда, различия в скорости между кольцами будут достаточно велики, чтобы космический корабль мог передвигаться от одного кольца к другому с помощью любой современной технологии. Однако каждый мир разделил бы свое кольцо с тысячами других, и относительная скорость между соседними планетами была бы почти нулевой. «Космический лифт может соединить планеты», - сказал Реймонд.
Если бы каждая пара соседних планет по данному кольцу была соединена, это напоминало бы «Кольцевой мир», гигантскую мегаструктуру пришельцев в одноименной научно-фантастической эпопее Ларри Нивена. «Разница между этой установкой и« Кольцевым миром »из книги Ларри Нивена заключается в том, что в этом случае между планетами нет пригодной для жизни площади, - сказал Рэймонд.
Откуда могут появиться такие системы миллионов планет? «Я могу представить себе сверхразвитых инопланетян, создающих систему, подобную солнечной системе-миллионнику Земли, как космическое произведение искусства, вроде искусства небоскребов или нарисованных айсбергов», - сказал Реймонд. «Способ сказать:« Посмотрите, какие мы изумительные », в самом большом масштабе».
«Или, возможно, инопланетяне создадут такую систему в виде зоопарка», - сказал Рэймонд. «У них может быть градиент климата от самого горячего до самого холодного, и они снабжают планеты всевозможными существами, которые они собирают по всей вселенной. Конечно, они должны быть осторожны, чтобы не помещать неправильные комбинации космических существ на то же самое кольцо планет, потому что это не закончится хорошо ".
В общем, «полезно попытаться придумать все возможные планетные системы, которые могут быть там», сказал Рэймонд. «Некоторых открытий можно было ожидать,« отправившись туда »и представив себе возможности, которые далеко не соответствуют норме. Эти системы представляют собой сочетание научной фантастики и« идти туда »в этом смысле».
«Главное, к чему я стремлюсь, - это просто попытаться раздвинуть границы того, что мы считаем возможным», - заключил Рэймонд.
