Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою Теорию общей теории относительности в 1915 году, физики начали размышлять о существовании черных дыр. Эти области пространства-времени, из которых ничто (даже свет) не может вырваться, - это то, что естественным образом происходит в конце жизненного цикла большинства массивных звезд. В то время как черные дыры обычно считаются ненасытными пожирателями, некоторые физики задаются вопросом, могут ли они также поддерживать собственные планетные системы.
В поисках ответа на этот вопрос доктор Шон Рэймонд, американский физик, в настоящее время работающий в Университете Бордо, создал гипотетическую планетную систему, в которой в центре лежит черная дыра. Основываясь на серии гравитационных расчетов, он определил, что черная дыра будет способна удерживать девять отдельных Солнц на стабильной орбите вокруг нее, которая сможет поддерживать 550 планет в обитаемой зоне.
Он назвал эту гипотетическую систему «Совершенная солнечная система черной дыры», которая состоит из невращающейся черной дыры, которая в 1 миллион раз массивнее Солнца. Это примерно четверть массы Стрельца А *, сверхмассивной черной дыры (SMBH), которая находится в центре Галактики Млечный Путь (которая содержит 4,31 миллиона солнечных масс).
Как указывает Раймонд, одно из непосредственных преимуществ наличия этой черной дыры в центре системы состоит в том, что она может поддерживать большое количество Солнц. Ради своей системы Раймонд выбрал 9, полагая, что он указывает на то, что еще многое можно выдержать благодаря явному гравитационному влиянию центральной черной дыры. Как он написал на своем сайте:
«Учитывая, насколько массивна черная дыра, одно кольцо может удерживать до 75 Солнц! Но это переместило бы обитаемую зону наружу довольно далеко, и я не хочу, чтобы система стала слишком распространенной. Таким образом, я буду использовать 9 Солнц в кольце, что смещает все в 3 раза. Давайте поместим кольцо в 0,5 а.е., далеко за пределами самой внутренней стабильной круговой орбиты (примерно 0,02 а.е.), но хорошо внутри обитаемой зоны (от около 2,7-5,4 а.е.) ».
Другое важное преимущество наличия черной дыры в центре системы состоит в том, что она сжимает так называемый «радиус Холма» (он же сфера Хилла или сфера Роша). По сути, это область вокруг планеты, где ее гравитация доминирует над гравитацией звезды, которую она вращает, и поэтому может притягивать спутники. По словам Раймонда, радиус Чёрной планеты в 100 раз меньше вокруг черной дыры с миллионом солнца, чем вокруг Солнца.
Это означает, что данная область пространства могла бы стабильно вписаться в 100 раз больше планет, если бы они вращались вокруг черной дыры вместо Солнца. Как он объяснил:
«Планеты могут быть очень близко друг к другу, потому что гравитация черной дыры очень сильна! Если планеты являются маленькими игрушечными автомобилями с горячими колесами, большинство планетарных систем расположены как обычные автомагистрали (примечание: я люблю горячие колеса). Каждый автомобиль остается на своей полосе, но автомобили намного меньше, чем расстояние между ними. Вокруг чёрной дыры планетарные системы могут быть сокращены до горячих колёс размером с колею. Автомобили с горячими колесами - наши планеты - вообще не меняются, но они могут оставаться стабильными, будучи гораздо ближе друг к другу. Они не трогают (это не будет стабильно), они просто ближе друг к другу ».
Это то, что позволяет разместить много планет в обитаемой зоне системы. Основываясь на радиусе холма Земли, Реймонд подсчитал, что около шести планет земной массы могли бы находиться на стабильных орбитах в одной и той же зоне вокруг нашего Солнца. Это основано на том факте, что планеты массой Земли могли бы находиться на расстоянии примерно 0,1 а.е. друг от друга и поддерживать стабильную орбиту.
Учитывая, что обитаемая зона Солнца примерно соответствует расстояниям между Венерой и Марсом - которые находятся на расстоянии 0,3 и 0,5 а.е. соответственно, - это означает, что есть место для работы на 0,8 а.е. Тем не менее, вокруг черной дыры с 1 млн. Солнечных масс ближайшая соседняя планета может быть только 1/1000го (0,001) от AU и по-прежнему имеют стабильную орбиту.
Делая математику, это означает, что примерно 550 Земель могли бы поместиться в одном регионе, вращающемся вокруг черной дыры и ее девяти Солнц. У всего этого сценария есть один небольшой недостаток: черная дыра должна оставаться в своей нынешней массе. Если бы он стал больше, это привело бы к уменьшению радиусов Хилла его 550 планет.
Как только радиус Хилла достигнет точки, равной размеру любой из планет земной массы, черная дыра начнет разрывать их на части. Но при 1 млн. Масс Солнца черная дыра способна комфортно поддерживать огромную систему планет. «С нашей черной дырой в миллион Солнца радиус Холма Земли (на его нынешней орбите) будет уже на пределе, чуть больше, чем в два раза больше фактического радиуса Земли», - говорит он.
Наконец, Раймонд рассматривает последствия, которые может иметь жизнь в такой системе. Например, год на любой планете в пределах обитаемой зоны системы будет намного короче, поскольку их орбитальные периоды будут намного быстрее. По сути, год будет длиться примерно 1,6 дня для планет на внутренней границе обитаемой зоны и 4,6 дня для планет на внешней границе обитаемой зоны.
Кроме того, на поверхности любой планеты в системе небо будет намного более людным! С таким количеством планет, находящихся на близкой орбите, они проходили очень близко друг к другу. По сути, это означает, что с поверхности любой отдельной Земли люди смогут видеть близлежащие Земли так же ясно, как мы видим Луну в некоторые дни. Как показал Раймонд:
«При ближайшем сближении (соединении) расстояние между планетами примерно вдвое больше расстояния от Земли до Луны. Все эти планеты размером с Землю, примерно в 4 раза больше Луны. Это означает, что при соединении ближайший сосед каждой планеты появляется примерно в два раза больше полной луны на небе. И есть два ближайших соседа, внутренний и внешний. Кроме того, ближайшие ближайшие соседи находятся вдвое дальше, поэтому они по-прежнему равны полнолунию во время соединения. И еще четыре планеты, которые будут по крайней мере вдвое меньше полной Луны во время соединения ».
Он также указывает, что соединения будут происходить почти один раз на орбиту, что будет означать, что каждые несколько дней не будет недостатка в гигантских объектах, проходящих по небу. И, конечно, были бы сами Солнца. Вспомните ту сцену в «Звездных войнах», где молодой Люк Скайуокер наблюдает за двумя солнцами в пустыне? Ну, это было бы немного так, кроме как более круто!
Согласно расчетам Рэймонда, девять Солнц будут совершать орбиту вокруг черной дыры каждые три часа. Каждые двадцать минут одно из этих Солнц будет проходить за черной дырой, на что уходит всего 49 секунд. В этот момент произойдет гравитационное линзирование, когда черная дыра сфокусирует свет Солнца к планете и исказит видимую форму Солнца.
Чтобы проиллюстрировать, как это будет выглядеть, он предоставляет анимацию (показанную выше), созданную @GregroxMun - специалистом по моделированию планет, который разрабатывает космическую графику для Kerbal и других программ - с использованием Space Engine.
Хотя такая система может никогда не встречаться в природе, интересно знать, что такая система физически возможна. А кто знает? Возможно, достаточно продвинутый вид, обладающий способностью буксировать звезды и планеты из одной системы и размещать их на орбите вокруг черной дыры, мог бы создать эту Совершенную Солнечную систему. Может быть, что-то для исследователей SETI?
Это гипотетическое упражнение было вторым в серии из двух частей Раймонда под названием «Черные дыры и планеты». В первой части, «Солнечная система черной дыры», Рэймонд рассмотрел, на что это было бы похоже, если бы наша система вращалась вокруг двойной черной дыры и Солнца. Как он указал, последствия для Земли и других планет Солнца были бы интересны, если не сказать больше!
Раймонд также недавно расширил Ultimate Solar System, предложив Солнечную систему Million Earth. Проверьте их все на его сайте, PlanetPlanet.net.
