Stort antal potentiellt bebodda planeter kan teoretiskt existera i stabila banor runt ett supermassivt svart hål, till exempel den fiktiva Gargantua från 2014-filmen "Interstellar."
(Bild: © Paramount Pictures)
Ett svart hål kan ha 1 miljon planeter som kretsar i närheten av det som potentiellt kan stödja livet som vi känner till det, antyder en astrofysiker.
Eftersom det finns liv nästan överallt där flytande vatten finns på jorden, bedömer astronomer ofta en värld som potentiellt beboelig om den kretsar i en zon där flytande vatten kan överleva på ytan. Vår sols "bebyggliga zon" är värd för bara en planet (jorden), men berättelsen kan vara annorlunda för andra stjärnor. Exempelvis har TRAPPIST-1-systemet tre planeter i jordstorlek inom dess bebörliga zon.
Sean Raymond, en astrofysiker vid observatoriet i Bordeaux i Frankrike, undersöker hur planetsystem formas och utvecklas. Som en del av en kolumn skriver Raymond som heter "Building the Ultimate Solar System" och han började se hur många planeter som kunde kretsa runt ett svart hål. [De konstigaste svarta hålen i rymden]
"Jag tror att vi kan lära av ytterligheterna ... de är i princip gränserna för rutan där vi söker," sade Raymond till Space.com. "Detta system är ett extremt - det mest packade tänkbara. Det är en rolig blandning av fantasi och vetenskap."
Det finns för närvarande två sorters svarta hål som forskare vet bäst, sade Raymond. Svarta hål i stjärnmassa är lika i massa som några få solar, och bildas när jätte- stjärnor dör och kollapsar på sig själva. Supermassiva svarta hål är miljoner till miljarder gånger solens massa och tros finnas i hjärtat av de flesta, om inte alla, stora galaxer. (En tredje klass, mellanmassa svarta hål, är dåligt förstått.)
Svarta hål är extremt kompakta. Ett svart hål med solens massa skulle vara cirka 6 mil bredt. Som jämförelse har Skytten A *, det supermassiva svarta hålet som tänker lurar i hjärtat av Vintergatan, en massa på cirka 4 miljoner solar och en diameter på cirka 14,7 miljoner miles (23,6 miljoner km), eller lite mer än 40 mil procent storleken på Merkurius bana runt solen.
Tänk om solen hade en kamrat med svart hål?
En vanlig fråga i fysikklasser är att föreställa sig vad som skulle förändras om solen skulle ersättas med ett svart hål av samma massa, sade Raymond. Svaret är att ingenting skulle förändras när det gäller planets banor - om det svarta hålet hade samma massa som solen, skulle banorna förbli desamma. (Livet på jorden skulle uppenbarligen drabbas av bristen på ljus och värme i ett sådant scenario, tillade Raymond.)
Om solen hade en lika stor massa av svart hål som följer kring den - på, till exempel, en tiondel av en astronomisk enhet (AU) - skulle banorna i solsystemets planeter inte förändras mycket, konstaterade Raymond. (En AU är jord-solavståndet - cirka 93 miljoner miles, eller 150 miljoner km.)
Om man antar att dessa planeter höll samma avstånd från solen som de gör nu, skulle solens tyngdkraft och dess svarta hålpartner få dessa världar att komplettera sina banor lite snabbare, med jordens år som sjönk från 365 dagar till 258 dagar, sa han.
I ovanstående scenario skulle solen och det svarta hålet fullfölja en bana med varannan varannan dag. Detta betyder att mängden energi som jorden skulle få från solen skulle variera mellan 90 procent och 110 procent av dess genomsnitt när solen rörde sig längre från eller närmare jorden.
"Det är som att studsa mellan New York och Miami och tillbaka var 2,9 dag", konstaterade Raymond. [Black Hole Quiz: Hur väl känner du naturens konstigaste skapelser?]
Tänk om ett supermassivt svart hål hade en ring av planeter?
Förutom att föreställa sig livet runt ett svart hål i stjärnmassan beräknade Raymond också hur många potentiellt bebodda planeter som kan passa runt ett supermassivt svart hål 1 miljon gånger solens massa. "Det är nästan lika massivt som i mitten av Vintergatan," sade han. Det skulle bara handla om solens diameter, tillade han.
Runt solen kan banorna som planeterna reser bara komma så nära varandra innan effekterna av deras gravitationella drag överväger solens effekter, vilket leder till instabila banor. Raymond konstaterade att cirka sex jordmassaplaneter kan passa i stabila koncentriska banor inom solens bebodda zon.
Däremot är ett supermassivt svart hols gravitationskraft extra kraftigt, tillräckligt för att lätt överväldiga planeter. Om solen ersattes med ett svart hål i en solmassamassa, skulle 550 jordmassaplaneter passa i stabila koncentriska banor i den bebodda zonen, beräknade Raymond.
Det supermassiva svarta hålets tyngdkraft skulle dra starkare på sidan av varje planet närmare det svarta hålet. Detta skulle sträcka planeten för beboddszonen ut, även om de inte skulle vara tillräckligt nära för att rivas isär, sade Raymond.
Ett sätt att skapa en bebyggelig zon runt detta supermassiva svarta hål är att placera stjärnor mellan det och planeterna. En ring med nio solliknande stjärnor på 0,5 AU från ett miljon solsvart hål skulle göra var och en av de 550 jordmassaplaneterna i ovanstående scenario potentiellt beboelig, sade Raymond.
"Det skulle vara ganska intressant att leva på en planet i detta system", konstaterade Raymond. "Det skulle ta bara några dagar att fullfölja en bana runt det svarta hålet - cirka 1,6 dagar vid den inre kanten av den bebodda zonen och 4,6 dagar i ytterkanten." [10 exoplaneter som kan vara värd för främmande liv]
Vid det närmaste tillvägagångssättet, eller sammankopplingen, mellan två sådana planeter, skulle avståndet mellan dessa världar vara "ungefär dubbelt jord-måne-avståndet", konstaterade Raymond. "Vid samverkan visas varje planets närmaste granne ungefär dubbelt så stor som fullmånen på himlen."
Dessutom skulle de nästa närmaste grannarna vara bara dubbelt så långt borta, och så verkade lika stora som fullmånen under sammanföringen, sade Raymond. Fyra planeter till skulle vara minst hälften av stormånen under konjunktionen, tillade han. "Konjunktioner händer lite mindre än en gång per omloppsbana, så med några dagar kommer det en gaggle av jätteföremål som passerar över himlen," sade han.
De nio solarna "skulle också vara en syn att se", sade Raymond. Var och en skulle fullfölja sin bana runt det svarta hålet var tredje timme.
"Det betyder att en av solarna var 20: e minut passerar bakom det svarta hålet," sade Raymond. "När en sol passerar bakom det svarta hålet, böjer det svarta hålets tyngdkraft sitt ljus och kan fungera som en lins. Det fokuserar solens ljus mot planeten. Detta snedvrider solens form till en ring ... ett ganska sött ljus visa."
Dessutom skulle stjärnljus sträckas av det svarta hålets gravitation. "Stjärnor närmare det svarta hålet verkar rödare, och de längre från det svarta hålet verkar blåare," sade Raymond.
En miljon planeter runt ett svart hål
I det tidigare scenariot var varje planet ensam i sin bana kring det supermassiva svarta hålet. Raymond modellerade också vad som skulle hända om flera planeter delade en bana runt ett svart hål i miljoner solen. Tidigare beräknade Raymond att 42 jordmassaplaneter kunde kretsa i en ring 1 AU från solen.
För att ha en stabil ring av planeter noterade Raymond att planeter i den ringen alla måste ha ungefär samma massa. Det måste också finnas minst sju planeter i en sådan ring, och de måste vara jämnt fördelade längs en cirkulär bana.
Med tanke på ett svart hål med en miljon sol med en kretsande ring av nio solliknande stjärnor, beräknade Raymond att en miljon jordmassaplaneter kunde kretsa inom den bebodda zonen i 400 ringar, var och en innehar 2500 planeter med avstånd från ungefär samma avstånd som det mellan Jorden och månen. I det här scenariot skulle planeter igen ta allt från 1,6 till 4,6 dagar för att slutföra en bana. [De konstigaste svarta hålen i universum]
I stället för att placera nio solliknande stjärnor mellan det svarta hålet och planeterna föreslog Raymond också att man kunde placera 36 solliknande stjärnor i en ring som är 6 AU bred. I det här scenariot, "varje planet badas i solljus från alla sidor - planeterna har ingen nattsida," sade Raymond. "Det är som Asimovs planet för dagtid Kalgash."
"Du skulle aldrig känna dig ensam i dessa system - de andra planeterna skulle vävstora enormt på himlen," tillade Raymond. Grannplaneter skulle vara ungefär tio gånger närmare än månen är jorden, vilket innebär att de verkar "ungefär 40 gånger större på himlen än fullmånen," sade Raymond. "Det är ungefär storleken på en bärbar dator som hålls inom räckhåll, bara uppe på himlen."
I det senare scenariot skulle planeterna vara mycket närmare det svarta hålet, var och en fullbordar en bana på bara cirka 9 timmar. Detta innebär att de kommer att kretsa i extraordinära hastigheter - cirka 10 procent av ljusets hastighet. Enligt Einsteins teori om speciell relativitet kan tid tyckas röra sig märkbart långsammare ju närmare man kommer ljusets hastighet, så "två barn som föddes på samma ögonblick på olika ringar skulle åldras i något olika takt", sade Raymond. "Barnet på den inre ringen skulle åldras något långsammare."
Skillnaderna i hastighet mellan ringarna skulle vara tillräckligt stora för att sannolikt göra det omöjligt för ett rymdskepp att resa från en ring till en annan med någon aktuell teknik, sade Raymond. Men varje värld skulle dela sin ring med tusentals andra, och den relativa hastigheten mellan angränsande planeter skulle vara nästan noll. "En rymdhiss kunde ansluta planeter," sade Raymond.
Om varje par av angränsande planeter längs en viss ring var anslutna, skulle det likna en "Ringworld", en gigantisk främmande megastruktur i Larry Nivens science-fiction-epos med samma namn. "Skillnaden mellan den här installationen och 'Ringworld' från Larry Nivens bok är att det i det här fallet inte finns något livligt ytområde mellan planeterna," sade Raymond.
Var kan sådana miljoner planetsystem komma ifrån? "Jag kan föreställa mig superavancerade utomjordingar som skapar ett system som miljoner jordens solsystem som ett kosmiskt konstverk, liksom konsten att skyskrapor eller målade isberg," sade Raymond. "Ett sätt att säga: 'Se hur snygga vi är', i den storslagna skalan."
"Eller kanske utlänningar skulle skapa denna typ av system som en zoo," sade Raymond. "De kunde ha en lutning i klimat från det hetaste till det kallaste och fylla planeterna med alla slags varelser de samlar över hela universum. Naturligtvis måste de vara försiktiga med att inte sätta fela kombinationer av rymdsvaror på samma ring av planeter, för det skulle inte sluta bra. "
Sammantaget "är det bra att försöka hitta alla möjliga planetsystem som kan finnas där ute," sade Raymond. "Vissa upptäckter kunde ha förutsetts genom att" åka dit "och föreställa sig möjligheter som ligger långt utanför normen. Dessa system är en kombination av science fiction och" att åka dit "i den meningen."
"Det viktigaste jag går för är helt enkelt att försöka pressa gränserna för vad vi tror är möjligt," avslutade Raymond.
