Stort antall potensielt beboelige planeter kunne teoretisk sett eksistere i stabile baner rundt et supermassivt svart hull, for eksempel den fiktive Gargantua fra 2014-filmen "Interstellar."
(Bilde: © Paramount Pictures)
Et svart hull kan ha 1 million planeter i bane rundt seg som potensielt er i stand til å støtte livet slik vi kjenner det, antyder en astrofysiker.
Siden det er liv praktisk talt overalt der flytende vann finnes på jorden, bedømmer astronomer ofte en verden som potensielt beboelig hvis den går i bane i et område der flytende vann kan overleve på overflaten. Solens "beboelige sone" er bare en planet (Jorden), men historien kan være annerledes for andre stjerner. For eksempel har TRAPPIST-1-systemet tre planeter i jordstørrelse innenfor sin beboelige sone.
Sean Raymond, en astrofysiker ved Observatoriet i Bordeaux i Frankrike, forsker hvordan planetariske systemer dannes og utvikler seg. Som en del av en søyle Raymond skriver kalt "Building the Ultimate Solar System", satte han seg for å se hvor mange planeter som kunne bane rundt et svart hull. [De merkeligste svarte hull i verdensrommet]
"Jeg tror vi kan lære av ytterpunktene ... de er i utgangspunktet grensene for boksen vi søker i," sa Raymond til Space.com. "Dette systemet er en ekstrem - det mest pakket tenkelige. Det er en morsom blanding av fantasi og vitenskap."
Det er for tiden to typer sorte hull som forskere vet best, sa Raymond. Sorte hull i stjernemasse er like store som noen få soler, og dannes når gigantiske stjerner dør og kollapser på seg selv. Supermassive sorte hull er millioner til milliarder ganger solens masse, og antas å eksistere i hjertene til de fleste, om ikke alle, store galakser. (En tredje klasse, mellomliggende masse sorte hull, er dårlig forstått.)
Sorte hull er ekstremt kompakte. Et svart hull med solens masse vil være omtrent 6 kilometer bredt. Til sammenligning har Skytten A *, det supermassive, svarte hullet som antas å lure i hjertet av Melkeveien, en masse på rundt 4 millioner soler og en diameter på omtrent 14,7 millioner mil (23,6 millioner km), eller litt mer enn 40 millioner prosent størrelsen på Merkurius bane rundt solen.
Hva om solen hadde en ledsager av svart hull?
Et vanlig spørsmål i fysikklasser er å forestille seg hva som ville endret seg hvis solen ble erstattet med et svart hull av samme masse, sa Raymond. Svaret er at ingenting ville endre seg når det gjelder planetenes baner - hvis det svarte hullet hadde samme masse som solen, ville banene forbli de samme. (Livet på jorden vil åpenbart lide av mangel på lys og varme i et slikt scenario, la Raymond til.)
Hvis solen hadde en likeverdig masse med svart hull som gikk i bane rundt seg - på, for eksempel, en tidel av en astronomisk enhet (AU) - ville banene i solsystemets planeter ikke endre seg mye, bemerket Raymond. (En AU er jord-solavstanden - omtrent 93 millioner miles, eller 150 millioner km.)
Forutsatt at disse planetene holdt samme avstand fra solen som de gjør nå, ville solens tyngdekraft og dens svart hullpartner føre til at disse verdenene fullfører banene sine litt raskere, med jordens år som gikk ned fra 365 dager til 258 dager, sa han.
I scenariet ovenfor ville solen og det svarte hullet fullføre en bane med hverandre hver 2.9 dag. Dette betyr at mengden energi som Jorden ville motta fra solen, vil svinge mellom 90 prosent og 110 prosent av gjennomsnittet når solen beveget seg lenger fra eller nærmere Jorden.
"Det er som å sprette mellom New York og Miami og tilbake hver 2.9 dag," bemerket Raymond. [Black Hole Quiz: Hvor godt kjenner du naturens rareste kreasjoner?]
Hva om et supermassivt svart hull hadde en ring med planeter?
I tillegg til å forestille seg livet rundt et svart hull i stjernemassen, beregnet Raymond også hvor mange potensielt beboelige planeter som kan passe rundt et supermassivt svart hull 1 million ganger solens masse. "Det er nesten så massivt som det i sentrum av Melkeveien," sa han. Det ville bare dreie seg om solens diameter, la han til.
Rundt solen kan banene som planetene reiser bare komme så nær hverandre før effekten av gravitasjonstrekkene overvelder solens effekter, noe som fører til ustabile baner. Raymond bemerket at omtrent seks jordmasseplaneter kan passe i stabile konsentriske baner i solens beboelige sone.
I motsetning til dette, er et supermassivt svart hulls gravitasjonstrekk ekstra sterkt, nok til å lett overvelde planetenes. Hvis solen ble erstattet med et millioner hull i solmassen, kunne 550 jordmasseplaneter passe i stabile konsentriske baner i den beboelige sonen, beregnet Raymond.
Det supermassive sorte hullets tyngdekraft ville trekke sterkere på siden av hver planet nærmere det sorte hullet. Dette vil strekke planetenes beboelige sone ut, selv om de ikke ville være nær nok til å bli revet fra hverandre, sa Raymond.
En måte å skape en beboelig sone rundt dette supermassive sorte hullet er å plassere stjerner mellom det og planetene. En ring på ni sollignende stjerner 0,5 AU fra et millionsols svart hull ville gjøre hver av de 550 jordmasseplanetene i ovennevnte scenario potensielt beboelige, sa Raymond.
"Det ville være ganske interessant å leve på en planet i dette systemet," bemerket Raymond. "Det vil ta bare noen få dager å fullføre en bane rundt det sorte hullet - omtrent 1,6 dager i den indre kanten av den beboelige sonen og 4,6 dager i ytterkanten." [10 eksoplaneter som kan være vert for fremmed liv]
Ved den nærmeste tilnærming, eller sammenheng, mellom to slike planeter, ville avstanden mellom disse verdenene være "omtrent det dobbelte av jord-måne-avstanden," bemerket Raymond. "Ved forbindelse vises hver planets nærmeste nabo omtrent dobbelt så stor som fullmåne på himmelen."
I tillegg ville de nærmeste naboene bare være dobbelt så langt unna, og ville derfor virke like store som fullmåne under samliv, sa Raymond. Fire planeter til ville være minst halvparten av størrelsen på fullmånen under konjunktjonen, la han til. "Konjeksjoner skjer litt mindre enn en gang i bane, så noen få dager går det en knebling av gigantiske gjenstander over himmelen," sa han.
De ni solene "ville også være et syn å se," sa Raymond. Hver ville fullføre sin bane rundt det sorte hullet hver tredje time.
"Det betyr at hvert 20. minutt vil en av solene passere bak det sorte hullet," sa Raymond. "Når en sol passerer bak det sorte hullet, bøyer det svarte hullets tyngde lyset og kan fungere som en linse. Det fokuserer solens lys mot planeten. Dette forvrenger solens form til en ring ... et ganske søtt lys forestilling."
Videre ville stjernelys bli strukket av det sorte hullets tyngdekraft. "Stjerner nærmere det sorte hullet ville virket rødere, og de som lenger fra det sorte hullet ville virket blåere," sa Raymond.
En million planeter rundt et svart hull
I det tidligere scenariet var hver planet alene i sin bane rundt det supermassive sorte hullet. Raymond modellerte også hva som ville skje hvis flere planeter delte en bane rundt et millionsols svart hull. Tidligere beregnet Raymond at 42 jordmasseplaneter kunne bane i en ring 1 AU fra solen.
For å ha en stabil ringplanet, bemerket Raymond at planeter i den ringen alle må ha omtrent samme masse. Det må også være minst syv planeter i en slik ring, og de må være jevnt fordelt langs en sirkulær bane.
Gitt et millionsol svart hull med en omløpsring av ni sollignende stjerner, beregnet Raymond at en million planeter i jordmassen kunne bane i den beboelige sonen i 400 ringer, som hver hadde 2500 planeter fordelt på omtrent samme avstand som den mellom Jorden og månen. I dette scenariet vil planetene igjen ta alt fra 1,6 til 4,6 dager å fullføre en bane. [De merkeligste svarte hullene i universet]
I stedet for å plassere ni sollignende stjerner mellom det sorte hullet og planetene, foreslo Raymond også at man kunne plassere 36 sollignende stjerner i en ring 6 AU bred. I dette scenariet, "hver planet er badet i sollys fra alle sider - planetene har ingen nattside," sa Raymond. "Det er som Asimovs planet på dagtid Kalgash."
"Du vil aldri føle deg alene i disse systemene - de andre planetene ville smale enormt på himmelen," la Raymond til. Naboplaneter ville være omtrent 10 ganger nærmere enn månen er på jorden, noe som betyr at de vil fremstå som "omtrent 40 ganger større på himmelen enn fullmåne," sa Raymond. "Det er omtrent på størrelse med en bærbar datamaskin som holdes innen rekkevidde, bare opp på himmelen."
I dette sistnevnte scenariet ville planetene være mye nærmere det svarte hullet, og hver fullføre en bane på omtrent 9 timer. Dette betyr at de går i bane i ekstraordinære hastigheter - omtrent 10 prosent av lysets hastighet. I følge Einsteins teori om spesiell relativitet, vil tiden se ut til å bevege seg mer saktere jo nærmere man kommer lysets hastighet, slik at "to babyer som ble født på samme øyeblikk på forskjellige ringer, ville eldes i litt forskjellige hastigheter," sa Raymond. "Babyen på den indre ringen eldes litt saktere."
Forskjellene i hastighet mellom ringene ville være store nok til å sannsynligvis gjøre det umulig for et romskip å reise fra en ring til en annen med noen aktuell teknologi, sa Raymond. Imidlertid vil hver verden dele sin ring med tusenvis av andre, og den relative hastigheten mellom naboplaneter ville være nesten null. "En romheis kunne koble planeter," sa Raymond.
Hvis hvert par naboplaneter langs en gitt ring var koblet sammen, ville det ligne en "Ringworld", en gigantisk fremmed megastruktur i Larry Nivens science-fiction-epos med samme navn. "Forskjellen mellom dette oppsettet og 'Ringworld' fra Larry Nivens bok er at det i dette tilfellet ikke er noe levelig overflate mellom planetene," sa Raymond.
Hvor kan slike millioner planetsystemer komme fra? "Jeg kan tenke meg superavanserte romvesener som skaper et system som det millionjordiske solsystemet som et kosmisk kunstverk, på samme måte som kunsten til skyskrapere eller malte isfjell," sa Raymond. "En måte å si 'Se hvor fancy vi er', i den største skalaen."
"Eller kanskje romvesener ville opprette denne typen systemer som en dyrehage," sa Raymond. "De kan ha en gradient i klima fra det varmeste til det kaldeste, og lager planetene med alle slags skapninger de samler over hele universet. Selvfølgelig, de må være forsiktige med å ikke legge feil kombinasjoner av romdyr på samme planetplanet, for det ville ikke ende bra. "
Alt i alt "er det nyttig å prøve å komme med alle mulige planetariske systemer som kan være der ute," sa Raymond. "Noen funn kunne ha blitt forventet ved å" gå dit "og forestille seg muligheter som er langt utenfor normen. Disse systemene er en kombinasjon av science fiction og" å dra dit "i den forstand."
"Det viktigste jeg går for er ganske enkelt å prøve å presse grensene for det vi tror er mulig," konkluderte Raymond.
