У чёрной дыры полно энергетических ресурсов, способных помочь жизни закрепиться. Но учёный из НАСА определил, что, несмотря на то, что показывают в кино, возникновение пригодных для жизни условий вблизи неё маловероятно.

Фильм “Интерстеллар” занимает особое место в сердцах любителей научной фантастики. Исполнительным продюсером фильма и его научным консультантом был Кип Торн, физик, получивший нобелевскую премию, пообещавший, что ничто в этом кино не будет нарушать законы физики, а любые выводы будут сделаны на основе науки.

Сюжет его строится на том, что Земля становится непригодной для жизни, и людям приходится искать новый дом. На удачу астрономы открыли червоточину рядом с Сатурном, служащую туннелем через пространство-время, ведущим к сверхмассивной чёрной дыре Гаргантюа.

Вокруг неё вращается множество планет. НАСА отправляет несколько миссий для изучения планет, надеясь найти среди них обитаемую.

По поводу научной достоверности фильма было написано довольно много статей, в частности, касательно того, как там изображена чёрная дыра, и солидная их часть была хвалебной. Физик Митио Каку сказал, что этот фильма стал золотым стандартом, с которым необходимо будет сравнивать будущие НФ-фильмы.

Однако остаётся разобраться с ещё одним вопросом: может ли обитаемая планета в принципе вращаться вокруг сверхмассивной чёрной дыры? И сегодня мы получили на него ответ благодаря научной работе Джереми Шнитмана из Центра космических полётов Годдарда НАСА в Гринбелте, Массачусетс.

Шнитман просто подошёл к вопросу, подсчитав, могут ли пригодные для жизни условия существовать на планете, вращающейся вблизи сверхмассивной чёрной дыры. И его выводы оказались неожиданными.

Для начала немного истории. Астробиологи давно уже спорят о том, каковы могут быть необходимые для жизни условия на землеподобных планетах. Существует общепризнанное мнение о том, что одним из фундаментальных требований будет наличие жидкой воды, что налагает определённые ограничения на температуру обитаемых планет.

Подход Шнитмана состоит в том, чтобы определить, какие источники энергии могут привести к появлению таких температур на планете, вращающейся вокруг чёрной дыры. Такой источник энергии должен был бы кардинально отличаться от того, что есть у Земли.

Температура нашей атмосферы сохраняется в результате баланса приходящей энергии Солнца, разогревающего атмосферу, и уходящей энергии. Это взаимодействие породило целую научную дисциплину, климатологию.

Тем не менее, без Солнца приходящий свет исчезнет, и почти вся энергия с Земли улетучится. “Без постоянной подпитки температуры океаны, скорее всего, замёрзнут за несколько дней”, – говорит Шнитман.

Но, оказывается, что у планеты, вращающейся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, могут быть и другие источники энергии. Самый очевидный состоит в том, что сверхмассивные чёрные дыры вовсе не чёрные. “Большая часть полученных нами знаний о чёрной дыре основана на электромагнитном излучении, испускаемом газом, который в результате аккреции падает на чёрную дыру, – говорит Шнитман. – Можно представить, что замена Солнца поглощающей материю чёрной дыры не станет концом жизни на Земле”.

Однако сверхмассивные чёрные дыры не просто яркие; это самые яркие из постоянных источников излучения во Вселенной, в особенности в ультрафиолетовом диапазоне, где излучение достигает пика. Они окружены горячим аккреционным диском, падающим в чёрную дыру.

Условия внутри такого диска слишком экстремальны для существования жидкой воды, но Шнитман говорит, что их можно сделать более комфортными, представив, что скорость аккреции чёрной дыры составляет крохотную долю от наблюдаемых значений.

В итоге любая планета, вращающаяся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, будет находиться в облаке горячего газа. В фильме планета вращается вблизи горизонта событий чёрной дыры, где, по подсчётам Шнитмана, она была бы окружена полем излучения температурой в 6000 градусов. “Вряд ли это окружение дружелюбно для жизни”, – отмечает он.

На больших расстояниях газ был бы более холодным. Для достижения комнатной температуры планете нужно было бы находиться на расстоянии в 100 раз большем гравитационного радиуса чёрной дыры.

Реликтовое излучение вокруг чёрной дыры

Так что на первый взгляд жидкая вода могла бы существовать на такой планете. Смогла ли бы там развиться жизнь – вопрос более сложный. “Всем известным формам жизни для выживания требуется энергетический градиент, поэтому всепроникающее излучение абсолютно чёрного тела чёрной дыры было бы, вероятно, не очень удобным для сложной жизни”, – говорит Шнитман.

В фильме есть одна проблемка – планета явно вращается за пределами аккреционного диска, что, по словам Шнитмана, было бы динамически нестабильной системой.

Более серьёзная проблема – с уменьшением скорости аккреции должна уменьшиться и плотность диска, и тогда ему было бы тяжелее излучать энергию. А без этого излучения он бы просто разогрелся, выйдя за температурные пределы, в которых существует жидкая вода. Это приводит нас к парадоксу.

Но не всё потеряно. Существует ещё один источник энергии – реликтовое излучение, эхо Большого взрыва [реликтовое излучение не является эхом Большого взрыва, как часто неправильно пишут авторы. Это тепловое излучение первичной рекомбинации Вселенной / прим. перев.]. Астрономы измерили его и получили температуру в 2,7 К, чего вряд ли хватит для поддержания воды в жидком виде.

Однако тут вступает в игру магия относительности. Из фильма видно, что время для на планете замедляется для наблюдателей, в результате чего свет испытывает синее смещение и нагревается. И чем ближе планета к чёрной дыре, тем сильнее будет этот эффект.

Шитман подсчитал, что планета, вращающаяся сразу за гравитационным радиусом, могла бы достаточно разогреваться реликтовым излучением. “Это было бы похоже на орбиту вокруг белого карлика радиусом 0,2 а.е.”, – говорит он. Этого было бы достаточно для наличия жидкой воды, но при этом планета купалась бы в опасно высоком уровне ультрафиолета.

А есть ещё свет других звёзд. На Земле ночное небо тёмное, поскольку мы находимся в относительно разреженном рукаве галактики. Но сверхмассивные чёрные дыры обычно находятся в центре галактик, где плотность звёзд значительно больше. У планеты, летающей вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики, ночное небо было бы в 100 000 раз ярче, чем на Земле.

Это обеспечило бы значительный фон из ультрафиолета и рентгеновского излучения. Шнитман представляет себе цивилизацию, достаточно продвинутую для создания чего-то вроде “сферы Дайсона наизнанку”, отражающей эту энергию. “Это сделало бы планету обитаемой гораздо ближе к сверхмассивной чёрной дыре, даже перед лицом чрезвычайно сильного ультрафиолетового или рентгеновского фонового излучения”, – говорит он.

“Но и такой защитный экран не спасает от природного безмолвного убийцы: нейтрино”, – говорит он. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей. Но когда их много, они могут значительно влиять на неё.

Некоторые учёные думают, что массовое вымирание на Земле было вызвано вспышками расположенных неподалёку сверхновых, выдававших значительное количество нейтрино. А сверхмассивная чёрная дыра сможет создать достаточное количество этих частиц, чтобы прекратить вечеринку на любой планете.

Однако нейтрино также могут вызвать геотермальный разогрев. “И, в отличие от вредоносного ультрафиолета или рентгена этого электромагнитного излучения с синим смещением, разогревание недр планеты нейтрино могло бы привести к процветанию форм жизни похожих на те, что мы находим у себя в глубинах океанов”, – говорит Шнитман, немного выдавая желаемое за действительное.

Однако это ощущение быстро проходит, когда он переходит к другим причинам быть пессимистом. Рядом с чёрной дырой постоянное гудение гравитационных волн будет вызывать разрушительные вибрации. Также на всё это мрачным покровом ляжет тёмная материя (если она существует).

Шнитман всё же не отметает полностью возможность того, что обитаемая планета может вращаться вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Но смысл его объяснений понятен – в такой обстановке уютного мало. Если люди и должны где-то искать обитаемые планеты, то скорее всего, как можно дальше от сверхмассивной чёрной дыры.

Источник / Мои переводы