211service.com
Kan en beboelig planet gå i bane rundt et supermassivt sort hull?
Kampanjebilde fra Interstallar-filmen PARAMOUNT BILDER OG WARNER BROS. BILDER
Interstellar har en spesiell plass for science fiction-fans. Filmens utøvende produsent og vitenskapelige rådgiver var Kip Thorne, en nobelprisvinnende fysiker som sverget at ingenting i filmen ville bryte fysikkens lover og at enhver vill spekulasjon ville stamme fra vitenskapen.
Filmens premiss er at jorden blir ubeboelig og mennesker må finne et annet sted å bo. Som flaksen ville ha det, har astronomer oppdaget et ormehull nær Saturn som fungerer som en tunnel gjennom romtiden til et fjernt supermassivt sort hull kalt Gargantuan.
Ulike planeter går i bane rundt Gargantuan. Så NASA sender en rekke oppdrag for å kartlegge planetene i håp om å finne en som er beboelig.
Mye er skrevet om filmens vitenskapelige nøyaktighet, dens skildring av sorte hull og så videre, det meste full av lovord. Fysikeren Michio Kaku sa at det var gullstandarden som fremtidige science fiction-filmer vil bli bedømt etter.
Men ett spørsmål er ennå ikke tatt opp – er det mulig for en beboelig planet å gå i bane rundt et supermassivt sort hull i det hele tatt? Og i dag får vi svar takket være arbeidet til Jeremy Schnittman ved NASA Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.
Schnittmann har tatt et letthjertet blikk på spørsmålet og beregnet om forhold som er modne for liv kan eksistere på en planet som går i bane i nærheten av et supermassivt sort hull. Og konklusjonene hans er overraskende.
Først litt bakgrunn. Astrobiologer har lenge kranglet om forholdene som er nødvendige for livet til den jordlignende sorten. Det er bred enighet om at tilstedeværelsen av flytende vann er et av de grunnleggende kravene, og dette setter spesifikke grenser for temperaturen på beboelige planeter.
Schnittmans tilnærming er å spørre hva slags energikilder som kan generere slike temperaturer på en planet som går i bane rundt et svart hull. En slik energikilde må være helt forskjellig fra jordens.
Den atmosfæriske temperaturen her er et resultat av balansen mellom innkommende energi fra solen, som varmer opp atmosfæren, og den utgående energien som tar energien bort. Dette viser seg å være et komplekst forhold som har skapt en hel egen disiplin i form av klimavitenskap.
Likevel, uten en sol, ville det innkommende lyset forsvinne, og fjerne nesten all energien for livet på jorden. Uten den konstante varmestrømmen, ville havene sannsynligvis fryse over i løpet av få dager, sier Schnittman.
Men det viser seg at det finnes en rekke andre energikilder for en planet som kretser rundt et supermassivt sort hull. Det mest åpenbare er at supermassive sorte hull ikke er svarte i det hele tatt. Det meste av det vi vet om sorte hull kommer fra å observere den elektromagnetiske strålingen som kommer fra gass når den samler seg på det sorte hullet, sier Schnittman. Man kunne naturlig nok forestille seg at det å erstatte solen med et tiltagende sort hull kanskje ikke er slutten på livet på jorden likevel.
Men supermassive sorte hull er ikke bare lyse; de er de lyseste vedvarende strålingskildene i universet, spesielt i det ultrafiolette området der strålingen topper seg. De er omgitt av en varm akkresjonsskive av gass som faller ned i det sorte hullet.
Forholdene i en slik skive er bare for ekstreme til å støtte flytende vann, men Schnittman sier at de kan gjøres mer komfortable ved å forestille seg at akkresjonshastigheten til det sorte hullet er en liten brøkdel av den observerte verdien.
Resultatet er at enhver planet som går i bane i nærheten av et supermassivt sort hull vil gjøre det i en sky av varm gass. I filmen kretser planetene av interesse like utenfor det sorte hullets hendelseshorisont, der Schnittman beregner at de ville være omgitt av et 6000-graders strålingsfelt av svart kropp. Neppe gjestfri til livet, kommenterer han.
Lenger ut ville gassen vært kjøligere. For at det skal være romtemperatur, må planeten gå i bane i en avstand som er 100 ganger gravitasjonsradiusen til det sorte hullet.
Så på forsiden av det, ville flytende vann være mulig på en slik planet. Om livet kan utvikle seg er vanskeligere å vurdere. Alle kjente livsformer krever en energi gradient for å overleve, så en altomfattende svartkroppsstrålingsbakgrunn vil sannsynligvis ikke være særlig gunstig for et komplekst liv, sier Schnittman.
Det er et lite problem med filmen ved at planeten tydelig går i bane forbi akkresjonsskiven, noe Schnittman sier ville være dynamisk ustabil.
Et større problem er at hvis akkresjonshastigheten var lavere, ville tettheten til skiven også være lavere, noe som gjør det vanskeligere å utstråle. Og uten denne strålingen ville akkresjonsskiven bare varmes opp over temperaturen til flytende vann. Så det er et paradoks i kjernen av dette argumentet som til slutt ugyldiggjør det.
Alt er imidlertid ikke tapt. Det er en annen energikilde i form av kosmisk mikrobølgebakgrunn, ekkoet fra Big Bang. Astronomer har målt denne strålingen, og den har en temperatur på bare 2,7 K, knapt nok til å opprettholde flytende vann.
Men det er her relativitetsmagien kommer inn i bildet. Som det blir tydelig i filmen, går tiden langsommere for observatører på overflaten av planeten, og dette har effekten av blåskiftende lys som gjør det varmere. Og jo nærmere planeten er det sorte hullet, jo større vil denne effekten være.
Schnittman beregner at en planet som kretser like utenfor gravitasjonsradiusen vil oppleve nok oppvarming fra den kosmiske mikrobølgebakgrunnen til å gjøre susen. Dette ville vært som å gå i bane rundt en hvit dverg i en avstand på 0,2 AU, sier han. Det ville gi nok energi til flytende vann, men ville også bade planeten i farlige nivåer av ultrafiolett.
Så er det lyset fra andre stjerner. På jorden er nattehimmelen mørk fordi vi sitter i en relativt sparsom arm av galaksen. Men supermassive sorte hull sitter vanligvis i sentrum av galakser, hvor tettheten av stjerner er betydelig høyere. Så for en planet som går i bane rundt det supermassive sorte hullet i sentrum av galaksen vår, ville nattehimmelen vært 100 000 ganger lysere enn på jorden.
Det ville gi en betydelig bakgrunn av UV-lys og røntgenstråler. Schnittman forestiller seg en sivilisasjon som er tilstrekkelig avansert til å konstruere en slags omvendt Dyson-sfære som reflekterer denne energien. Dette vil tillate beboelse mye nærmere vertens supermassive sorte hull, selv i møte med overveldende UV- eller røntgenstråling i bakgrunnen, sier han forhåpentligvis.
Men selv med et slikt beskyttende skjold er det fortsatt spøkelset til naturens stille morder: nøytrinoer, sier han med en økende følelse av elendighet. Nøytrinoer samhandler ikke sterkt med materie. Men når det er et stort antall av dem, kan de ha en betydelig innvirkning.
Noen forskere tror at masseutryddelseshendelser på jorden ble forårsaket av enorme nøytrino-utbrudd fra nærliggende supernovaer. Og et supermassivt sort hull ville skape mer enn nok til å dempe feststemningen på enhver planet.
Imidlertid kan nøytrinoer føre til geotermisk oppvarming. Og i motsetning til den skadelige UV- eller røntgenfluksen fra denne blåforskyvede elektromagnetiske strålingen, kan nøytrinooppvarming av planetens kjerne føre til en blomstrende populasjon av livsformer som ligner på de som finnes i nærheten av dyphavsventiler på jorden, sier Schnittman, med mer enn en snev av ønsketenkning.
Denne følelsen går raskt tapt når han går videre til andre grunner til å være pessimistisk. I nærheten av et svart hull ville gravitasjonsbølger gi en jevn summing av destruktive vibrasjoner. Og mørk materie, hvis den skulle eksistere, gir et rikt tapet av undergang.
Schnittman er forsiktig med å avvise muligheten for at en beboelig planet kan gå i bane rundt et supermassivt sort hull, i hvert fall ikke eksplisitt.
Men det implisitte budskapet er klart – det er lite gjestfrihet der. Hvis det er noe sted i universet at mennesker bør lete etter beboelige planeter, er det sannsynligvis så langt som mulig fra supermassive bakhull.
Fans av Interstellar, vær oppmerksom!
Ref: arxiv.org/abs/1910.00940 : Life on Miller's Planet: The Habitable Zone Around Supermassive Black Holes