In theorie zouden enorme aantallen potentieel bewoonbare planeten kunnen bestaan in stabiele banen rond een superzwaar zwart gat, zoals de fictieve Gargantua uit de film "Interstellar" uit 2014.
(Afbeelding: © Paramount Pictures)
Een zwart gat kan in de buurt van 1 miljoen planeten cirkelen die mogelijk het leven kunnen ondersteunen zoals we het kennen, suggereert een astrofysicus.
Omdat er vrijwel overal vloeibaar water op aarde is, beoordelen astronomen een wereld vaak als potentieel bewoonbaar als deze in een baan draait waar vloeibaar water op het oppervlak zou kunnen overleven. De "bewoonbare zone" van onze zon herbergt slechts één planeet (aarde), maar het verhaal kan voor andere sterren anders zijn. Het TRAPPIST-1-systeem heeft bijvoorbeeld drie planeten ter grootte van de aarde binnen de bewoonbare zone.
Sean Raymond, astrofysicus bij het Observatorium van Bordeaux in Frankrijk, onderzoekt hoe planetaire systemen ontstaan en evolueren. Als onderdeel van een column schrijft Raymond genaamd "Building the Ultimate Solar System", ging hij op zoek om te zien hoeveel planeten een zwart gat zouden kunnen cirkelen. [De vreemdste zwarte gaten in de ruimte]
"Ik denk dat we kunnen leren van de extremen ... het zijn in feite de grenzen van de doos waarin we zoeken", vertelde Raymond aan Space.com. "Dit systeem is één extreem - het meest verpakt denkbare. Het is een leuke mix van verbeelding en wetenschap."
Er zijn momenteel twee soorten zwarte gaten die wetenschappers het beste kennen, zei Raymond. Zwarte gaten van sterrenmassa zijn in massa gelijk aan een paar zonnen en vormen zich wanneer gigantische sterren sterven en op zichzelf instorten. Superzware zwarte gaten zijn miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon, en men denkt dat ze in de harten van de meeste, zo niet alle, grote sterrenstelsels bestaan. (Een derde klasse, zwarte gaten met gemiddelde massa, wordt slecht begrepen.)
Zwarte gaten zijn extreem compact. Een zwart gat met de massa van de zon zou slechts 6 kilometer breed zijn. Ter vergelijking: Boogschutter A *, het superzware zwarte gat dat vermoedelijk op de loer ligt in het hart van de Melkweg, heeft een massa van ongeveer 4 miljoen zonnen en een diameter van ongeveer 14,7 miljoen mijl (23,6 miljoen km), of iets meer dan 40 procent zo groot als de baan van Mercurius rond de zon.
Wat als de zon een metgezel met een zwart gat had?
Een veel voorkomende vraag in natuurkundelessen is om je voor te stellen wat er zou veranderen als de zon zou worden vervangen door een zwart gat met dezelfde massa, zei Raymond. Het antwoord is dat er niets zou veranderen aan de banen van de planeten - als het zwarte gat dezelfde massa had als de zon, zouden de banen hetzelfde blijven. (Het leven op aarde zou duidelijk lijden onder het gebrek aan licht en warmte in een dergelijk scenario, voegde Raymond eraan toe.)
Als de zon een metgezel van een zwart gat met een gelijke massa in de buurt had - bijvoorbeeld een tiende van een astronomische eenheid (AU) - zouden de banen van de planeten van het zonnestelsel niet veel veranderen, merkte Raymond op. (Eén AU is de afstand tussen de aarde en de zon - ongeveer 93 miljoen mijl of 150 miljoen km.)
Toch, ervan uitgaande dat deze planeten op dezelfde afstand van de zon bleven als nu, zouden de zwaartekracht van de zon en zijn partner met het zwarte gat deze werelden ertoe brengen hun banen iets sneller te voltooien, waarbij het jaar van de aarde afneemt van 365 dagen tot 258 dagen, zei hij.
In het bovenstaande scenario zouden de zon en het zwarte gat elke 2,9 dagen een baan met elkaar afleggen. Dit betekent dat de hoeveelheid energie die de aarde van de zon zou ontvangen, zou schommelen tussen 90 procent en 110 procent van zijn gemiddelde naarmate de zon verder van of dichter bij de aarde kwam.
'Dat is alsof je elke 2,9 dagen heen en weer stuitert tussen New York en Miami,' merkte Raymond op. [Black Hole Quiz: hoe goed ken jij de raarste creaties van de natuur?]
Wat als een superzwaar zwart gat een ring van planeten had?
Behalve dat hij zich het leven rond een zwart gat met een stellaire massa voorstelde, berekende Raymond ook hoeveel potentieel bewoonbare planeten rond een superzwaar zwart gat zouden kunnen passen, 1 miljoen keer de massa van de zon. 'Die is bijna net zo groot als die in het midden van de Melkweg', zei hij. Het zou alleen ongeveer de diameter van de zon zijn, voegde hij eraan toe.
Rond de zon kunnen de banen die planeten afleggen slechts zo dicht bij elkaar komen dat de effecten van hun zwaartekracht die van de zon overweldigen, wat leidt tot onstabiele banen. Raymond merkte op dat ongeveer zes aardmassaplaneten in stabiele concentrische banen passen binnen de bewoonbare zone van de zon.
Daarentegen is de zwaartekracht van een superzwaar zwart gat buitengewoon sterk, genoeg om die van planeten gemakkelijk te overweldigen. Als de zon zou worden vervangen door een zwart gat van een miljoen zonsmassa, zouden 550 aardmassaplaneten in stabiele concentrische banen in de bewoonbare zone passen, berekende Raymond.
De zwaartekracht van het superzware zwarte gat zou sterker aan de kant van elke planeet trekken, dichter bij het zwarte gat. Dit zou de planeten met bewoonbare zones uitrekken, hoewel ze niet dichtbij genoeg zouden zijn om uit elkaar te worden gerukt, zei Raymond.
Een manier om een bewoonbaar gebied rond dit superzware zwarte gat te creëren, is door er sterren tussen te plaatsen en de planeten. Een ring van negen zonachtige sterren 0,5 AU uit een zwart gat met een miljoen zon zou elk van de 550 aardmassa-planeten in het bovenstaande scenario mogelijk bewoonbaar maken, zei Raymond.
'Het zou best interessant zijn om in dit systeem op een planeet te leven,' merkte Raymond op. "Het duurt slechts een paar dagen om een baan rond het zwarte gat te maken - ongeveer 1,6 dagen aan de binnenrand van de bewoonbare zone en 4,6 dagen aan de buitenrand." [10 exoplaneten die buitenaards leven kunnen huisvesten]
Bij de dichtstbijzijnde benadering, of samenstand, tussen twee van dergelijke planeten, zou de afstand tussen deze werelden "ongeveer tweemaal de afstand van de aarde-maan" zijn, merkte Raymond op. 'Bij elkaar verschijnt de naaste buur van elke planeet ongeveer twee keer zo groot als de volle maan aan de hemel.'
Bovendien zouden de dichtstbijzijnde buren slechts twee keer zo ver weg zijn en tijdens de conjunctie zo groot lijken als de volle maan, zei Raymond. Vier extra planeten zouden tijdens de conjunctie minstens de helft van de grootte van de volle maan zijn, voegde hij eraan toe. "Conjuncties gebeuren iets minder dan één keer per baan, dus om de paar dagen gaat er een stel gigantische objecten door de lucht", zei hij.
De negen zonnen 'zouden ook een lust voor het oog zijn', zei Raymond. Elk van hen zou om de 3 uur zijn baan rond het zwarte gat voltooien.
'Dat betekent dat elke 20 minuten een van de zonnen achter het zwarte gat zou passeren', zei Raymond. "Wanneer een zon achter het zwarte gat komt, buigt de zwaartekracht van het zwarte gat zijn licht en kan het als een lens werken. Het richt het licht van de zon op de planeet. Dit vervormt de vorm van de zon tot een ring ... een mooi zoet licht laten zien."
Bovendien zou sterrenlicht worden uitgerekt door de zwaartekracht van het zwarte gat. 'Sterren dichter bij het zwarte gat lijken roder en die verder van het zwarte gat lijken blauwer', zei Raymond.
Een miljoen planeten rond een zwart gat
In het voorgaande scenario was elke planeet alleen in zijn baan rond het superzware zwarte gat. Raymond modelleerde ook wat er zou gebeuren als meerdere planeten een baan zouden delen rond een zwart gat van een miljoen zon. Eerder berekende Raymond dat 42 aardmassaplaneten vanuit de zon in een ring van 1 AU konden cirkelen.
Om een stabiele ring van planeten te hebben, merkte Raymond op dat planeten in die ring allemaal ongeveer dezelfde massa moeten hebben. Er moeten ook minstens zeven planeten in zo'n ring zitten en ze moeten gelijkmatig verdeeld zijn langs een cirkelvormige baan.
Gegeven een zwart gat van een miljoen zon met een ring van negen zonachtige sterren, berekende Raymond dat een miljoen planeten van de massa van de aarde in de bewoonbare zone zouden kunnen cirkelen in 400 ringen, die elk 2.500 planeten bevatten met een onderlinge afstand van ongeveer dezelfde afstand als die tussen de aarde en de maan. In dit scenario zouden planeten opnieuw 1,6 tot 4,6 dagen nodig hebben om een baan te voltooien. [De vreemdste zwarte gaten in het heelal]
In plaats van negen zonachtige sterren tussen het zwarte gat en de planeten te plaatsen, stelde Raymond ook voor om 36 zonachtige sterren in een ring van 6 AU breed te plaatsen. In dit scenario "baadt elke planeet van alle kanten in zonlicht - de planeten hebben geen nachtzijde", zei Raymond. 'Het is net Asimovs permanente dagplaneet Kalgash.'
'In deze systemen zou je je nooit alleen voelen - de andere planeten zouden enorm in de lucht opdoemen', voegde Raymond eraan toe. Naburige planeten zouden ongeveer 10 keer dichterbij zijn dan de maan bij de aarde, wat betekent dat ze 'ongeveer 40 keer groter aan de hemel zouden lijken dan de volle maan', zei Raymond. 'Dat is ongeveer zo groot als een laptopcomputer die binnen handbereik is, alleen hoog in de lucht.'
In dit laatste scenario zouden de planeten veel dichter bij het zwarte gat zijn en zouden ze elk in ongeveer 9 uur een baan om de aarde voltooien. Dit betekent dat ze met buitengewone snelheden zouden cirkelen - ongeveer 10 procent van de lichtsnelheid. Volgens Einsteins speciale relativiteitstheorie lijkt de tijd merkbaar langzamer te bewegen naarmate men dichter bij de lichtsnelheid komt, dus "twee baby's die op hetzelfde moment op verschillende ringen worden geboren, verouderen met iets andere snelheden", zei Raymond. 'De baby aan de binnenring zou iets langzamer verouderen.'
De verschillen in snelheid tussen de ringen zouden groot genoeg zijn om het waarschijnlijk onmogelijk te maken voor een ruimteschip om met de huidige technologie van de ene ring naar de andere te reizen, zei Raymond. Elke wereld zou echter zijn ring met duizenden anderen delen en de relatieve snelheid tussen naburige planeten zou bijna nul zijn. 'Een ruimtelift kan planeten met elkaar verbinden', zei Raymond.
Als elk paar naburige planeten langs een bepaalde ring met elkaar verbonden zou zijn, zou het lijken op een 'Ringwereld', een gigantische buitenaardse megastructuur in Larry Niven's sciencefiction-epos met dezelfde naam. 'Het verschil tussen deze opzet en de' Ringwereld 'uit het boek van Larry Niven is dat er in dit geval geen leefbare oppervlakte is tussen de planeten,' zei Raymond.
Waar zouden zulke miljoen-planeet-systemen vandaan kunnen komen? 'Ik kan me voorstellen dat supergeavanceerde buitenaardse wezens een systeem als het zonnestelsel met een miljoen aarde creëren als een kosmisch kunstwerk, een beetje zoals de kunst van wolkenkrabbers of geschilderde ijsbergen', zei Raymond. 'Een manier om te zeggen:' Kijk eens hoe mooi we zijn ', op de grootste schaal.'
'Of misschien zouden buitenaardse wezens een dergelijk systeem als dierentuin creëren', zei Raymond. "Ze kunnen een gradiënt hebben in klimaten van de heetste naar de koudste, en de planeten vullen met allerlei wezens die ze in het hele universum verzamelen. Natuurlijk moeten ze oppassen dat ze niet de verkeerde combinaties van ruimtewezens op de dezelfde ring van planeten, want dat zou niet goed aflopen. '
Al met al "is het nuttig om te proberen met alle mogelijke planetaire systemen te komen die er zijn," zei Raymond. 'Op sommige ontdekkingen kon worden geanticipeerd door' daarheen te gaan 'en mogelijkheden te bedenken die ver buiten de norm liggen. Deze systemen zijn in die zin een combinatie van sciencefiction en' erheen gaan '.'
'Het belangrijkste waar ik voor ga, is gewoon proberen de grenzen te verleggen van wat we denken dat mogelijk is', concludeerde Raymond.
