Kan en beboelig planet kretsa runt ett supermassivt svart hål?

Kampanjbild från Interstallar-filmen PARAMOUNT BILDER OCH WARNER BROS. BILDER

Interstellär har en speciell plats för science fiction-fans. Filmens exekutiva producent och vetenskapliga rådgivare var Kip Thorne, en nobelprisvinnande fysiker som lovade att ingenting i filmen skulle bryta mot fysikens lagar och att alla vilda spekulationer skulle härröra från vetenskapen.

Filmens utgångspunkt är att jorden håller på att bli obeboelig och människor måste hitta någon annan plats att bo. Som tur var har astronomer upptäckt ett maskhål nära Saturnus som fungerar som en tunnel genom rymdtiden till ett avlägset supermassivt svart hål som kallas Gargantuan.

Olika planeter kretsar kring Gargantuan. Så NASA skickar ett antal uppdrag för att undersöka planeterna i hopp om att hitta en som är beboelig.

Mycket har skrivits om filmens vetenskapliga noggrannhet, dess skildring av svarta hål och så vidare, det mesta fullt av lovord. Fysikern Michio Kaku sa att det var guldstandarden som framtida science fiction-filmer kommer att bedömas efter.

Men en fråga måste ännu lösas - är det möjligt för en beboelig planet att kretsa runt ett supermassivt svart hål överhuvudtaget? Och idag får vi ett svar tack vare Jeremy Schnittmans arbete vid NASA Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Schnittmann har tagit en lättsam titt på frågan och beräknat om förhållanden mogna för liv skulle kunna existera på en planet som kretsar nära ett supermassivt svart hål. Och hans slutsatser är överraskande.

Först lite bakgrund. Astrobiologer har länge argumenterat om de villkor som är nödvändiga för livet av den jordliknande sorten. Det råder bred enighet om att närvaron av flytande vatten är ett av de grundläggande kraven, och detta sätter specifika gränser för temperaturen på beboeliga planeter.

Schnittmans tillvägagångssätt är att fråga vilken typ av energikällor som skulle kunna generera den här typen av temperaturer på en planet som kretsar runt ett svart hål. En sådan energikälla måste vara helt annorlunda än jordens.

Atmosfärstemperaturen här är resultatet av balansen mellan inkommande energi från solen, som värmer atmosfären, och den utgående energin som tar bort energin. Detta visar sig vara ett komplext förhållande som har gett upphov till en hel egen disciplin i form av klimatvetenskap.

Men utan en sol skulle det inkommande ljuset försvinna och ta bort nästan all energi för livet på jorden. Utan dess konstanta värmeflöde skulle haven sannolikt frysa över inom några dagar, säger Schnittman.

Men det visar sig att det finns ett antal andra energikällor för en planet som kretsar runt ett supermassivt svart hål. Det mest uppenbara är att supermassiva svarta hål inte alls är svarta. Det mesta av det vi vet om svarta hål kommer från att observera den elektromagnetiska strålningen som kommer från gas när den ansamlas i det svarta hålet, säger Schnittman. Man skulle naturligtvis kunna föreställa sig att att ersätta solen med ett växande svart hål kanske inte är slutet på livet på jorden trots allt.

Men supermassiva svarta hål är inte bara ljusa; de är de ljusaste ihållande strålkällorna i universum, särskilt i det ultravioletta området där strålningen når sin topp. De är omgivna av en het ansamlingsskiva av gas som faller ner i det svarta hålet.

Förhållandena i en sådan skiva är alldeles för extrema för att stödja flytande vatten, men Schnittman säger att de kan göras mer bekväma genom att föreställa sig att det svarta hålets ansamlingshastighet är en liten bråkdel av det observerade värdet.

Resultatet är att vilken planet som helst som kretsar nära ett supermassivt svart hål skulle göra det i ett moln av het gas. I filmen kretsar de intressanta planeterna strax bortom det svarta hålets händelsehorisont, där Schnittman beräknar att de skulle omges av ett 6 000 graders strålningsfält för svartkroppar. Knappast gästvänlig till livet, kommenterar han.

Längre ut skulle gasen vara svalare. För att det ska vara rumstemperatur måste planeten kretsa på ett avstånd som är 100 gånger gravitationsradien för det svarta hålet.

Så på ytan skulle flytande vatten vara möjligt på en sådan planet. Huruvida livet skulle kunna utvecklas är svårare att bedöma. Alla kända livsformer kräver en energi lutning för att överleva, så en genomgripande svartkroppsstrålningsbakgrund skulle förmodligen inte vara särskilt gynnsam för komplext liv, säger Schnittman.

Det finns ett litet problem med filmen i det att planeten tydligt kretsar bortom ackretionsskivan, vilket Schnittman säger skulle vara dynamiskt instabilt.

Ett större problem är att om ackretionshastigheten var lägre skulle även skivans densitet vara lägre, vilket gör den svårare att stråla. Och utan denna strålning skulle accretionskivan bara värmas upp över temperaturen för flytande vatten. Så det finns en paradox i hjärtat av detta argument som i slutändan ogiltigförklarar det.

Allt är dock inte förlorat. Det finns en annan energikälla i form av kosmisk mikrovågsbakgrund, ekot av Big Bang. Astronomer har mätt denna strålning, och den har en temperatur på bara 2,7 K, knappast tillräckligt för att upprätthålla flytande vatten.

Men det är här relativitetens magi kommer in i bilden. Som det blir uppenbart i filmen saktar tiden ner för observatörer på planetens yta, och detta har effekten av blåskiftande ljus, vilket gör det varmare. Och ju närmare planeten är det svarta hålet, desto större blir denna effekt.

Schnittman beräknar att en planet som kretsar precis utanför gravitationsradien skulle uppleva tillräckligt med uppvärmning från den kosmiska mikrovågsbakgrunden för att göra susen. Det här skulle vara som att kretsa runt en vit dvärg på ett avstånd av 0,2 AU, säger han. Det skulle ge tillräckligt med energi för flytande vatten, men skulle också bada planeten i farliga nivåer av ultraviolett ljus.

Sedan finns det ljuset från andra stjärnor. På jorden är natthimlen mörk eftersom vi sitter i en relativt gles arm av galaxen. Men supermassiva svarta hål sitter vanligtvis i mitten av galaxer, där stjärnornas täthet är betydligt högre. Så för en planet som kretsar kring det supermassiva svarta hålet i mitten av vår galax skulle natthimlen vara 100 000 gånger ljusare än på jorden.

Det skulle ge en betydande bakgrund av UV-ljus och röntgenstrålar. Schnittman föreställer sig en civilisation som är tillräckligt avancerad för att konstruera en sorts omvänd Dyson-sfär som reflekterar denna energi. Detta skulle möjliggöra beboelighet mycket närmare värdens supermassiva svarta hål, även inför överväldigande UV- eller röntgenstrålning i bakgrunden, säger han förhoppningsvis.

Men även med en sådan skyddande sköld finns det fortfarande spöket för naturens tysta mördare: neutriner, säger han med en ökande känsla av misär. Neutrinos interagerar inte starkt med materia. Men när det finns ett stort antal av dem kan de ha en betydande inverkan.

Vissa forskare tror att massutrotningshändelser på jorden orsakades av enorma neutrinoskurar från närliggande supernovor. Och ett supermassivt svart hål skulle skapa mer än tillräckligt för att dämpa feststämningen på vilken planet som helst.

Däremot kan neutriner leda till geotermisk uppvärmning. Och till skillnad från det skadliga UV- eller röntgenflödet från denna blåskiftade elektromagnetiska strålning, kan neutrinouppvärmning av planetens kärna leda till en blomstrande population av livsformer som liknar dem som finns nära djuphavsöppningar på jorden, säger Schnittman, med mer än en antydan till önsketänkande.

Denna känsla försvinner snabbt när han går vidare till andra skäl för att vara pessimistisk. Nära ett svart hål skulle gravitationsvågor ge ett stadigt brum av destruktiva vibrationer. Och mörk materia, om den skulle finnas, ger en rik tapet av undergång.

Schnittman är noga med att inte helt avfärda möjligheten att en beboelig planet kan kretsa kring ett supermassivt svart hål, åtminstone inte explicit.

Men det underförstådda budskapet är tydligt – det finns lite gästfrihet där. Om det finns någonstans i universum som människor bör leta efter beboeliga planeter, är det förmodligen så långt som möjligt från supermassiva bakhål.

Fans av Interstellär, Vänligen notera!

Ref: arxiv.org/abs/1910.00940 : Life on Miller's Planet: The Habitable Zone Around Supermassive Black Holes

Dölj