Strax efter att Einstein publicerade sin teori om allmän relativitet 1915 började fysiker att spekulera om existensen av svarta hål. Dessa områden i rymdtid från vilka ingenting (inte ens ljus) kan undkomma är det som naturligt inträffar i slutet av de mest massiva stjärnornas livscykel. Medan svarta hål i allmänhet anses vara glupiga ätare, har vissa fysiker undrat om de också kunde stödja sina planetsystem.
Med tanke på att fråga denna fråga skapade Dr. Sean Raymond - en amerikansk fysiker för närvarande vid University of Bourdeaux - ett hypotetiskt planetsystem där ett svart hål ligger i centrum. Baserat på en serie gravitationsberäkningar bestämde han att ett svart hål skulle kunna hålla nio enskilda solar i en stabil bana runt den, vilket skulle kunna stödja 550 planeter inom en bebyggelig zon.
Han kallade detta hypotetiska system "The Black Hole Ultimate Solar System", som består av ett icke-snurrande svart hål som är 1 miljon gånger så massivt som solen. Det är ungefär en fjärdedel av skytten A *, det supermassiva svarta hålet (SMBH) som ligger i mitten av Vintergalaxen (som innehåller 4,31 miljoner solmassor).
Som Raymond antyder är en av de omedelbara fördelarna med att ha detta svarta hål i mitten av ett system att det kan stödja ett stort antal solar. För sitt system, Raymond valde 9, trodde att han indikerar att många fler skulle kunna upprätthållas tack vare det stora gravitationspåverkan från det centrala svarta hålet. Som han skrev på sin webbplats:
”Med tanke på hur massivt det svarta hålet är, kan en ring rymma upp till 75 solar! Men det skulle flytta den bebodda zonen utåt ganska långt och jag vill inte att systemet ska bli för spridd. Så jag kommer att använda 9 Suns i ringen, som flyttar ut allt med en faktor 3. Låt oss sätta ringen på 0,5 AU, långt utanför den innersta stabila cirkulära banan (cirka 0,02 AU) men väl inuti den beboeliga zonen (från cirka 2,7 till 5,4 AU). ”
En annan viktig fördel med att ha ett svart hål i mitten av ett system är att det krymper vad som kallas ”Hill-radien” (alias Hill-sfär eller Roche-sfär). Detta är i huvudsak regionen runt en planet där dess tyngdkraft är dominerande jämfört med stjärnan som den kretsar kring och kan därför locka satelliter. Enligt Raymond skulle en planet's Hill-radie vara 100 gånger mindre runt ett miljon solsvart hål än runt solen.
Detta innebär att ett givet område i rymden stabilt kan passa 100 gånger fler planeter om de kretsade om ett svart hål istället för Solen. Som han förklarade:
”Planeter kan vara super nära varandra eftersom det svarta hålets tyngdkraft är så stark! Om planeterna är lilla leksaker Heta hjulbilar läggs de flesta planetsystem ut som vanliga motorvägar (sidoblad: Jag älskar heta hjul). Varje bil stannar i sin egen körfält, men bilarna är mycket mindre än avståndet mellan dem. Runt ett svart hål kan planetariska system krympas ner till spår med heta hjulstorlek. Hot Wheel-bilarna - våra planeter - ändras inte alls, men de kan förbli stabila medan de är mycket närmare varandra. De rör inte (det skulle inte vara stabilt), de är bara närmare varandra. ”
Det är detta som gör att många planeter kan placeras i systemets bebörliga zon. Baserat på Earth's Hill-radien uppskattar Raymond att cirka sex jordmassaplaneter kan passa in i stabila banor inom samma zon runt vår sol. Detta är baserat på det faktum att planeten för jordmassan skulle kunna vara distanserad ungefär 0,1 AU från varandra och upprätthålla en stabil bana.
Med tanke på att solens bebodda zon motsvarar ungefär avstånden mellan Venus och Mars - som är 0,3 respektive 0,5 AU bort - betyder det att det finns 0,8 AUs utrymme att arbeta med. Men runt ett svart hål med 1 miljon solmassa kan den närmaste närliggande planeten vara bara 1/1000th (0,001) av en AU bort och har fortfarande en stabil bana.
Genom att göra matte innebär detta att ungefär 550 jordar kan passa i samma region som kretsar runt det svarta hålet och dess nio solar. Det finns en mindre nackdel med hela detta scenario, vilket är att det svarta hålet måste förbli vid sin nuvarande massa. Om den skulle bli större skulle det orsaka att Hill-radierna på sina 550 planeter krymper sig längre och längre.
När Hill-radien kom ner till den punkt där den var i samma storlek som någon av jordmassaplaneterna, skulle det svarta hålet börja riva dem isär. Men med 1 miljon solmassor kan det svarta hålet stödja ett massivt planetsystem bekvämt. ”Med vårt svarta hål på miljoner solen var jordens radie (på dess nuvarande bana) redan nere till gränsen, bara lite mer än två gånger jordens faktiska radie,” säger han.
Slutligen anser Raymond de konsekvenser som det kan ha att leva i ett sådant system. För ett skulle ett år på någon planet inom systemets bebörliga zon vara mycket kortare, på grund av att deras omloppsperioder skulle vara mycket snabbare. I grund och botten skulle ett år pågå ungefär 1,6 dagar för planeter i den inre kanten av den bebörliga zonen och 4,6 dagar för planeterna i ytterkanten av den bebodda zonen.
Dessutom skulle himlen vara mycket trångt på ytan på alla planeter i systemet! Med så många planeter i nära omloppsbana skulle de passera mycket nära varandra. Det betyder i huvudsak att människor från varje enskild jords yta skulle kunna se närliggande jordar så tydliga som vi ser månen på några dagar. Som Raymond illustrerade:
”Vid närmaste tillvägagångssätt (konjunktion) är avståndet mellan planeterna cirka två gånger avståndet mellan jord och måne. Dessa planeter är alla jordstorlekar, ungefär fyra gånger större än månen. Detta innebär att varje planets närmaste granne vid anslutning visas ungefär dubbelt så stor som fullmånen på himlen. Och det finns två närmaste grannar, den inre och den yttre. Dessutom är de nästa närmaste grannarna dubbelt så långt borta så att de fortfarande är lika stora som fullmånen under konjunktionen. Och ytterligare fyra planeter som skulle vara minst hälften av fullmånen i storlek under konjunktionen. ”
Han indikerar också att konjunktioner skulle inträffa nästan en gång per bana, vilket skulle innebära att det med några få dagar inte skulle finnas brist på jätteföremål som passerar över himlen. Och naturligtvis skulle det vara solens själva. Kom ihåg den scenen i Star Wars där en ung Luke Skywalker tittar på två solnedgångar i öknen? Tja, det skulle lite så, utom väldigt coolare!
Enligt Raymonds beräkningar skulle de nio solarna fullfölja en bana runt det svarta hålet var tredje timme. Var 20: e minut passerade en av dessa solen bakom det svarta hålet och tog bara 49 sekunder att göra det. Vid denna punkt skulle gravitationslinsning inträffa, där det svarta hålet skulle fokusera solens ljus mot planeten och förvränga solens uppenbara form.
För att illustrera hur detta skulle se ut ger han en animation (visas ovan) skapad av @GregroxMun - en planetmodell som utvecklar rymdgrafik för Kerbal och andra program - med hjälp av Space Engine.
Även om ett sådant system aldrig kan förekomma i naturen, är det intressant att veta att ett sådant system skulle vara fysiskt möjligt. Och vem vet? Kanske kan en tillräckligt avancerad art, med förmågan att dra stjärnor och planeter från ett system och placera dem i omloppsbana runt ett svart hål, skapa detta ultimata solsystem. Något för SETI-forskare att kanske leta efter?
Denna hypotetiska övning var den andra delen i Raymond-tv-serien, med titeln ”Svarta hål och planeter”. I den första delen, "The Black Hole Solar System", tänkte Raymond på hur det skulle se ut om vårt system kretsade kring en svart hål-Sun-binär. Som han antydde skulle konsekvenserna för Jorden och de andra solplaneterna vara minst intressanta!
Raymond utvidgade också nyligen det ultimata solsystemet genom att föreslå The Million Earth Solar System. Kolla in dem alla på hans webbplats, PlanetPlanet.net.
