Czy planeta nadająca się do zamieszkania może krążyć wokół supermasywnej czarnej dziury?

Zdjęcie promocyjne z filmu Interstallar NAJWAŻNIEJSZE ZDJĘCIA I WARNER BROS. KINO

Międzygwiezdny zajmuje szczególne miejsce dla fanów science fiction. Producentem wykonawczym i doradcą naukowym filmu był Kip Thorne, zdobywca nagrody Nobla fizyk, który obiecał, że nic w filmie nie naruszy praw fizyki i że wszelkie dzikie spekulacje będą wynikać z nauki.

Założeniem filmu jest to, że Ziemia staje się niezdatna do zamieszkania, a ludzie muszą znaleźć inne miejsce do życia. Traf chciał, że astronomowie odkryli w pobliżu Saturna tunel czasoprzestrzenny, który działa jak tunel przez czasoprzestrzeń do odległej supermasywnej czarnej dziury zwanej Gargantuan.

Gargantuan krążą różne planety. Dlatego NASA wysyła szereg misji w celu zbadania planet w nadziei na znalezienie takiej, która nadaje się do zamieszkania.

Wiele napisano o naukowej dokładności filmu, o przedstawieniu czarnych dziur i tak dalej, większość z nich jest pełna pochwał. Fizyk Michio Kaku powiedział, że to złoty standard, według którego będą oceniane przyszłe filmy science fiction.

Ale jedno pytanie jeszcze nie zostało rozwiązane – czy planeta nadająca się do zamieszkania w ogóle może krążyć wokół supermasywnej czarnej dziury? A dzisiaj otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Jeremy'ego Schnittmana z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland.

Schnittmann beztrosko spojrzał na to pytanie i obliczył, czy na planecie krążącej w pobliżu supermasywnej czarnej dziury mogą istnieć warunki dojrzałe do życia. A jego wnioski są zaskakujące.

Najpierw trochę tła. Astrobiolodzy od dawna spierają się o warunki niezbędne do życia odmiany podobnej do Ziemi. Istnieje powszechna zgoda co do tego, że obecność wody w stanie ciekłym jest jednym z podstawowych wymogów, a to wyznacza określone limity temperatury planet nadających się do zamieszkania.

Podejście Schnittmana polega na zapytaniu, jakie źródła energii mogą generować tego rodzaju temperatury na planecie krążącej wokół czarnej dziury. Takie źródło energii musiałoby być zupełnie inne niż ziemskie.

Temperatura atmosfery jest tutaj wynikiem równowagi pomiędzy energią napływającą ze słońca, która ogrzewa atmosferę, a energią wychodzącą, która odbiera energię. Okazuje się, że jest to złożona zależność, która zrodziła całą własną dyscyplinę w postaci nauk o klimacie.

Niemniej jednak bez słońca wchodzące światło zniknęłoby, usuwając prawie całą energię potrzebną do życia na Ziemi. Bez stałego strumienia ciepła oceany prawdopodobnie zamarzłyby w ciągu kilku dni, mówi Schnittman.

Okazuje się jednak, że istnieje wiele innych źródeł energii dla planety krążącej wokół supermasywnej czarnej dziury. Najbardziej oczywiste jest to, że supermasywne czarne dziury wcale nie są czarne. Większość tego, co wiemy o czarnych dziurach, pochodzi z obserwacji promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego od gazu, który akreuje na czarną dziurę, mówi Schnittman. Można sobie naturalnie wyobrazić, że zastąpienie Słońca narastającą czarną dziurą może mimo wszystko nie być końcem życia na Ziemi.

Ale supermasywne czarne dziury są nie tylko jasne; są najjaśniejszymi trwałymi źródłami promieniowania we wszechświecie, szczególnie w obszarze ultrafioletowym, gdzie promieniowanie osiąga szczyt. Otacza je gorący dysk akrecyjny gazu, który wpada do czarnej dziury.

Warunki na takim dysku są po prostu zbyt ekstremalne, aby utrzymać wodę w stanie ciekłym, ale Schnittman twierdzi, że można je uczynić bardziej komfortowymi, wyobrażając sobie, że tempo akrecji czarnej dziury stanowi niewielki ułamek obserwowanej wartości.

W rezultacie każda planeta krążąca w pobliżu supermasywnej czarnej dziury zrobiłaby to w chmurze gorącego gazu. W filmie interesujące planety krążą tuż za horyzontem zdarzeń czarnej dziury, gdzie Schnittman oblicza, że ​​byłyby otoczone polem promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 6000 stopni. Mało gościnny, komentuje.

Dalej gaz byłby chłodniejszy. Aby była to temperatura pokojowa, planeta musiałaby krążyć w odległości 100 razy większej od promienia grawitacyjnego czarnej dziury.

Tak więc na pierwszy rzut oka woda w stanie ciekłym byłaby możliwa na takiej planecie. Trudniej jest ocenić, czy życie może ewoluować. Wszystkie znane formy życia wymagają energii gradient aby przetrwać, więc wszechobecne tło promieniowania ciała doskonale czarnego prawdopodobnie nie sprzyjałoby złożonemu życiu, mówi Schnittman.

Jest mały problem z filmem, ponieważ planeta wyraźnie krąży poza dyskiem akrecyjnym, który według Schnittmana byłby dynamicznie niestabilny.

Większym problemem jest to, że gdyby tempo akrecji było mniejsze, gęstość dysku byłaby również mniejsza, co utrudniałoby promieniowanie. A bez tego promieniowania dysk akrecyjny po prostu nagrzałby się powyżej temperatury ciekłej wody. Tak więc w sercu tego argumentu tkwi paradoks, który ostatecznie go unieważnia.

Jednakże, nie wszystko stracone. Jest jeszcze jedno źródło energii w postaci mikrofalowego tła kosmicznego, echa Wielkiego Wybuchu. Astronomowie zmierzyli to promieniowanie, a jego temperatura wynosi zaledwie 2,7 K, czyli ledwie wystarczająca do utrzymania wody w stanie ciekłym.

Ale tutaj w grę wchodzi magia względności. Jak widać na filmie, dla obserwatorów na powierzchni planety czas zwalnia, a to powoduje, że światło przesuwa się na niebiesko, czyniąc ją cieplejszą. Im bliżej czarnej dziury znajduje się planeta, tym większy będzie ten efekt.

Schnittman oblicza, że ​​planeta krążąca tuż poza promieniem grawitacyjnym doświadczyłaby wystarczającego nagrzania z mikrofalowego tła kosmicznego, aby załatwić sprawę. To byłoby jak krążenie wokół białego karła w odległości 0,2 AU, mówi. Zapewniłoby to wystarczającą ilość energii dla wody w stanie ciekłym, ale również skąpałoby planetę w niebezpiecznych poziomach ultrafioletu.

Potem jest światło z innych gwiazd. Na Ziemi nocne niebo jest ciemne, ponieważ siedzimy w stosunkowo nielicznym ramieniu galaktyki. Ale supermasywne czarne dziury zazwyczaj znajdują się w centrum galaktyk, gdzie gęstość gwiazd jest znacznie wyższa. Tak więc dla planety krążącej wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki nocne niebo byłoby 100 000 razy jaśniejsze niż na Ziemi.

To zapewniłoby znaczne tło światła UV i promieni rentgenowskich. Schnittman wyobraża sobie cywilizację, która jest wystarczająco zaawansowana, aby skonstruować rodzaj odwróconej sfery Dysona, która odzwierciedla tę energię. Miejmy nadzieję, że umożliwiłoby to zamieszkanie znacznie bliżej supermasywnej czarnej dziury, nawet w obliczu przytłaczającego promieniowania UV lub rentgenowskiego w tle.

Jednak nawet z taką ochronną tarczą wciąż istnieje widmo cichego zabójcy natury: neutrina, mówi z rosnącym poczuciem nieszczęścia. Neutrina nie oddziałują silnie z materią. Ale gdy jest ich ogromna liczba, mogą mieć znaczący wpływ.

Niektórzy naukowcy uważają, że masowe wymieranie na Ziemi było spowodowane ogromnymi wybuchami neutrin z pobliskich supernowych. A supermasywna czarna dziura wytworzyłaby więcej niż wystarczająco, aby stłumić imprezowego ducha na dowolnej planecie.

Jednak neutrina mogą prowadzić do ogrzewania geotermalnego. I w przeciwieństwie do szkodliwego strumienia promieniowania ultrafioletowego lub rentgenowskiego z tego przesuniętego ku czerwieni promieniowania elektromagnetycznego, ogrzewanie neutrinowe jądra planety może prowadzić do rozkwitu populacji form życia podobnych do tych, które znajdują się w pobliżu głębokich otworów oceanicznych na Ziemi, mówi Schnittman, z ponad nuta myślenia życzeniowego.

To poczucie szybko ginie, gdy przechodzi do innych powodów, by być pesymistą. W pobliżu czarnej dziury fale grawitacyjne zapewniałyby stały szum destrukcyjnych wibracji. A ciemna materia, jeśli istnieje, dostarcza bogatego gobelinu zagłady.

Schnittman jest ostrożny, aby nie odrzucić całkowicie możliwości, że nadająca się do zamieszkania planeta może krążyć wokół supermasywnej czarnej dziury, przynajmniej nie wprost.

Ale ukryte przesłanie jest jasne – jest tam mało gościnności. Jeśli jest jakieś miejsce we wszechświecie, w którym ludzie powinni szukać planet nadających się do zamieszkania, to prawdopodobnie jest to jak najdalej od supermasywnych tylnych dziur.

Fani Międzygwiezdny, proszę zanotować!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1910.00940 : Życie na planecie Millera: strefa nadająca się do zamieszkania wokół supermasywnych czarnych dziur

ukryć