Τρίτη, 26 Ιουνίου 2018

Πόσοι πλανήτες «ζουν» σε μια μαύρη τρύπα; How many planets "live" in a black hole?

Αυτό που ξέρουμε είναι πως τίποτε δεν μπορεί να επιβιώσει κοντά σε μια μαύρη τρύπα. Μια νέα μελέτη φέρνει τα πάνω κάτω υποδεικνύοντας ότι μπορεί μια μαύρη τρύπα να διαθέτει αμέτρητους κόσμους φιλικούς στη ζωή. Huge numbers of potentially habitable planets could theoretically exist in stable orbits around a supermassive black hole, such as the fictional Gargantua from the 2014 film "Interstellar." Credit: Paramount Pictures

H ιδέα της ύπαρξης κάποιων μυστηριωδών κοσμικών σωμάτων όπου οι νόμοι της φυσικής δεν έχουν καμία υπόσταση έκανε την εμφάνισή της στα τέλη του 18ου αιώνα αρχικά από τον Τζον Μίτσελ, Βρετανό που σπούδασε φιλοσοφία και θεολογία αλλά ασχολήθηκε με την αστρονομία, τη γεωλογία και άλλους επιστημονικούς κλάδους, και αμέσως μετά από τον σπουδαίο γάλλο μαθηματικό Πιερ Σιμόν Λαπλάς. Έπρεπε να περάσουν 130 χρόνια για να υπάρξει μια πληρέστερη θεωρητική περιγραφή αυτών των σωμάτων (Γενική Θεωρία της Σχετικότητας) και άλλα 50 χρόνια για να αποκτήσουν ένα όνομα. Το 1968, σε ένα συνέδριο στη Γαλλία, ο αμερικανός αστροφυσικός Τζον Α. Γουίλερ ονόμασε για πρώτη φορά τα αντικείμενα αυτά «μαύρες τρύπες». Η συνεχής βελτίωση των τεχνικών μέσων παρατήρησης του Σύμπαντος (ισχυρά επίγεια τηλεσκόπια, διαστημικά τηλεσκόπια, εξελιγμένα προγράμματα προσομοιώσεων κ.λπ.) επέτρεψαν στην επιστημονική κοινότητα να εντοπίζει και να παρατηρεί αυτά τα μυστηριώδη σώματα για τα οποία έχουν αναπτυχθεί πολλές θεωρίες.

An illustration of the event horizon, the closest distance to a black hole from which light can escape. Credit: Answers magazine

Μέχρι σήμερα όλα τα στοιχεία που έχουν στη διάθεσή τους οι επιστήμονες υποδεικνύουν ότι η φύση των μελανών οπών είναι να… καταβροχθίζουν οτιδήποτε πέφτει στα τρομακτικής ισχύος βαρυτικά τους δίχτυα. Τίποτε, ακόμη και το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από μια μαύρη τρύπα αν έχει την ατυχία να πέσει πάνω της. Έχουν κατά καιρούς πέσει στο τραπέζι και ορισμένες θεωρίες που αναφέρουν ότι οι μαύρες τρύπες δεν καταστρέφουν την ύλη αλλά την εξαφανίζουν και είτε τη μετατρέπουν σε κάποια μορφή που εμείς δεν μπορούμε να κατανοήσουμε είτε την εμφανίζουν κάπου αλλού όπου εμείς δεν έχουμε πρόσβαση. Κάποιοι, για παράδειγμα, λένε ότι οι μαύρες τρύπες είναι πύλες μεταφοράς σε άλλα Σύμπαντα.

Our first system with 1 million Earths in the habitable zone.  The left panel only shows one of every 25 rings of planets and only one of every 25 planets on each ring.  The zoom-in on the right includes all of the planets within a small patch of the habitable zone. Credit: Sean Raymond

Για πρώτη φορά πέφτει στο τραπέζι μια θεωρία που παρουσιάζει τις μαύρες τρύπες ως έναν πόλο γύρω από τον οποίο μπορεί να δημιουργηθεί ένας τεραστίων διαστάσεων κόσμος φιλόξενος στη ζωή. Ο Σον Ρέιμοντ, αστροφυσικός του Αστεροσκοπείου του Μπορντό στη Γαλλία, υποστηρίζει ότι μπορούν να βρίσκονται σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα ένα εκατομμύριο κατοικήσιμοι πλανήτες!

Οι προσομοιώσεις

Diagram of a hypothetical sun-black hole solar system. Credit: Sean Raymond

Για να αναπτυχθούν συνθήκες ευνοϊκές στη ζωή (όπως τουλάχιστον εμείς τη γνωρίζουμε) πρέπει ένας πλανήτης να βρίσκεται σε απόσταση τέτοια από το μητρικό του άστρο ώστε οι συνθήκες σε αυτόν να μην είναι ούτε πολύ θερμές ούτε πολύ ψυχρές και να υπάρχει το απολύτως απαραίτητο για την παρουσία της ζωής νερό σε υγρή μορφή. Η περιοχή όπου υπάρχουν αυτές οι συνθήκες κοντά σε ένα άστρο έχει ονομαστεί από την επιστημονική κοινότητα «κατοικήσιμη ζώνη». Στην κατοικήσιμη ζώνη του ηλιακού μας συστήματος βρήκε θέση μόνο ένας πλανήτης… η Γη. Σε άλλα συστήματα υπάρχουν περισσότεροι, όπως για παράδειγμα, στον TRAPPIST-1 όπου έχουν εντοπιστεί μέχρι σήμερα στην κατοικήσιμη ζώνη τρεις πλανήτες με μέγεθος μάλιστα παρόμοιο με αυτό της Γης, γεγονός που αυξάνει τις πιθανότητες να έχουν αναπτυχθεί κάποιες μορφές ζωής έστω και σε μικροβιακό επίπεδο.

Stellar evolutionary paths.  Only very massive stars go supernova and can become black holes.  From this website.

Μέχρι στιγμής έχουν εντοπιστεί τριών ειδών μελανές οπές στο Σύμπαν. Το ένα είδος είναι μαύρες τρύπες με μάζα παρόμοια με εκείνη μερικών δεκάδων ή εκατοντάδων άστρων όπως ο Ήλιος. Το άλλο είδος είναι μαύρες τρύπες με μάζα παρόμοια με εκείνη εκατομμυρίων και δισεκατομμυρίων άστρων όπως ο Ήλιος. Συνήθως ο δεύτερος τύπος μελανών οπών, οι λεγόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, βρίσκονται στο κέντρο των μεγάλων γαλαξιών. Υπάρχει και ένας τρίτος τύπος μελανών οπών με ενδιάμεσο μέγεθος, για τις οποίες οι επιστήμονες γνωρίζουν ελάχιστα πράγματα.

Οι μαύρες τρύπες είναι επίσης εξαιρετικά συμπυκνωμένες. Μια μαύρη τρύπα με μάζα παρόμοια με αυτή του Ηλίου θα έχει διάμετρο μόλις έξι χλμ. Η μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας, ο Τοξότης Α*, έχει μάζα περίπου 4 εκατ. άστρων σαν τον Ήλιο και διάμετρο περίπου 23,6 χλμ.

Ο Ρέιμοντ μελέτησε μια σειρά από σενάρια. Το πρώτο ήταν τι θα συνέβαινε αν στο ηλιακό μας σύστημα υπήρχε μια μαύρη τρύπα με μάζα παρόμοια με τον Ήλιο. Η απάντηση είναι πως δεν θα άλλαζε κάτι ουσιαστικό στις τροχιές των πλανητών. Ίσως να αυξανόταν η ταχύτητα της κίνησης της Γης, κάτι που θα είχε ως αποτέλεσμα ο πλανήτης μας να ολοκλήρωνε νωρίτερα την περιστροφή του γύρω από τον Ήλιο από ό,τι σήμερα. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Ρέιμοντ, ένα γήινο έτος αντί 365 ημέρες θα είχε διάρκεια 258 ημέρες.

More than 500 Earth-like planets could circle a million-solar-mass black hole, given some fortuitous star placement, according to astrophysicist Sean Raymond. Credit: Sean Raymond

Ο Ρέιμοντ αποφάσισε να διαπιστώσει αν μπορεί να υπάρξει ένα πλανητικό σύστημα γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Για την ακρίβεια, θέλησε να δει τι θα γινόταν αν η μαύρη τρύπα είχε μάζα ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου. Σύμφωνα με τον Ρέιμοντ, αυτή η μαύρη τρύπα θα είχε διάμετρο παρόμοια με αυτή του Ηλίου και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στην κατοικήσιμη ζώνη της θα μπορούσαν να υπάρξουν 550 πλανήτες με μέγεθος ανάλογο με αυτό της Γης. Αν και οι πλανήτες της κατοικήσιμης ζώνης που θα ήταν εγγύτερα στη μαύρη τρύπα θα δέχονταν τις βαρυτικές πιέσεις της, σύμφωνα με την προσομοίωση, θα κατάφερναν να τις αποκρούσουν και θα παρέμεναν ασφαλείς στις θέσεις τους. 

Το μυστικό για να υπάρχουν πλανητικά συστήματα γύρω από μια μελανή οπή, σύμφωνα με τον Ρέιμοντ, είναι να υπάρχουν ανάμεσα σε αυτή και τους πλανήτες κάποια άστρα.

Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι αν κοντά σε μια μελανή οπή μάζας ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερης από αυτής του Ηλίου υπάρχουν εννέα άστρα παρόμοια με τον Ήλιο, τότε θα δημιουργηθούν περίπου 400 κατοικήσιμες ζώνες, στην καθεμία εκ των οποίων θα μπορούν να υπάρχουν περίπου 2.500 χιλιάδες πλανήτες με μέγεθος ανάλογο με αυτό της Γης. Όλοι αυτοί οι πλανήτες θα είχαν απόσταση μεταξύ τους παρόμοια με αυτή της Γης με τη Σελήνη.

In this case, the 3 au habitable zone is lit by 36 suns at 6 au, rather than 9 suns at 0.5au, from the center of a supermassive black hole.

Αν υπάρχουν περισσότερα άστρα σε ένα τέτοιο σύστημα, οι συνθήκες θα είναι πολύ ενδιαφέρουσες. Αν για παράδειγμα αντί για εννέα άστρα σαν τον Ήλιο σε ένα τέτοιο σύστημα υπάρχουν 36 άστρα σαν τον Ήλιο, με δεδομένη τη γρήγορη περιστροφή που θα έχουν τα άστρα αυτά γύρω από τη μαύρη τρύπα, τότε οι εκατοντάδες χιλιάδες πλανήτες του συστήματος θα λούζονται πάντα από φως και δεν θα βιώνουν ποτέ τη νύχτα.

Σε ένα τέτοιο σύστημα οι πλανήτες θα είναι ακόμη πιο κοντά ο ένας στον άλλο, περίπου δέκα φορές πιο κοντά από ό,τι η Σελήνη στη Γη, και ο κάθε πλανήτης θα εμφανίζεται στον ουρανό του άλλου σαράντα φορές μεγαλύτερος από ό,τι η πανσέληνος στη Γη. «Σε αυτή την περίπτωση οι κάτοικοι αυτών των πλανητών θα μπορούν να συνδέονται εύκολα με διαστημικά ασανσέρ» αναφέρει ο Ρέιμοντ και σημειώνει: «Ο στόχος που είχα ξεκινώντας αυτή την έρευνα ήταν να σπρώξω λίγο τα όρια, να πάω λίγο πιο πέρα από αυτό που νομίζουμε ότι είναι πιθανό να συμβαίνει. Μπορεί αυτά τα συστήματα που βγάζουν οι προσομοιώσεις να φαίνονται προϊόντα επιστημονικής φαντασίας, αλλά από την άλλη δίνουν ένα έναυσμα για να προσπαθήσουμε να ταξιδέψουμε στις μαύρες τρύπες, και ποιος ξέρει τι μπορεί να συναντήσουμε εκεί που μπορεί να είναι έξω από αυτό που εμείς θεωρούμε κανονικό».