Eine große Anzahl potenziell bewohnbarer Planeten könnte theoretisch in stabilen Umlaufbahnen um ein supermassereiches Schwarzes Loch existieren, wie beispielsweise der fiktive Gargantua aus dem Film "Interstellar" von 2014.
(Bild: © Paramount Pictures)
Ein Schwarzes Loch könnte 1 Million Planeten in seiner Nähe umkreisen, die möglicherweise das Leben unterstützen können, wie wir es kennen, schlägt ein Astrophysiker vor.
Da es praktisch überall auf der Erde Leben gibt, beurteilen Astronomen eine Welt oft als potenziell bewohnbar, wenn sie in einer Zone umkreist, in der flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche überleben könnte. Die "bewohnbare Zone" unserer Sonne beherbergt nur einen Planeten (Erde), aber die Geschichte könnte für andere Sterne anders sein. Zum Beispiel hat das TRAPPIST-1-System drei erdgroße Planeten in seiner bewohnbaren Zone.
Sean Raymond, Astrophysiker am Observatorium von Bordeaux in Frankreich, untersucht, wie sich Planetensysteme bilden und entwickeln. Als Teil einer Kolumne, die Raymond mit dem Titel "Building the Ultimate Solar System" schreibt, machte er sich daran zu sehen, wie viele Planeten ein Schwarzes Loch umkreisen könnten. [Die seltsamsten schwarzen Löcher im Weltraum]
"Ich denke, wir können aus den Extremen lernen ... sie sind im Grunde die Grenzen der Box, in der wir suchen", sagte Raymond gegenüber Space.com. "Dieses System ist ein Extrem - das am meisten vorstellbare. Es ist eine unterhaltsame Mischung aus Fantasie und Wissenschaft."
Derzeit gibt es zwei Arten von Schwarzen Löchern, die Wissenschaftler am besten kennen, sagte Raymond. Schwarze Löcher mit Sternmasse haben die gleiche Masse wie einige Sonnen und bilden sich, wenn Riesensterne sterben und in sich zusammenfallen. Supermassive Schwarze Löcher sind millionen- bis milliardenfach so groß wie die Sonnenmasse und es wird angenommen, dass sie in den Herzen der meisten, wenn nicht aller großen Galaxien existieren. (Eine dritte Klasse, Schwarze Löcher mittlerer Masse, ist kaum bekannt.)
Schwarze Löcher sind extrem kompakt. Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Sonne wäre nur etwa 6 Kilometer breit. Im Vergleich dazu hat Schütze A *, das supermassereiche Schwarze Loch, von dem angenommen wird, dass es im Herzen der Milchstraße lauert, eine Masse von ungefähr 4 Millionen Sonnen und einen Durchmesser von ungefähr 14,6 Millionen Meilen (23,6 Millionen km) oder etwas mehr als 40 Prozent der Größe von Merkurs Umlaufbahn um die Sonne.
Was wäre, wenn die Sonne einen schwarzen Lochbegleiter hätte?
Eine häufige Frage im Physikunterricht ist, sich vorzustellen, was sich ändern würde, wenn die Sonne durch ein Schwarzes Loch derselben Masse ersetzt würde, sagte Raymond. Die Antwort ist, dass sich an den Umlaufbahnen der Planeten nichts ändern würde - wenn das Schwarze Loch die gleiche Masse wie die Sonne hätte, würden die Umlaufbahnen gleich bleiben. (Das Leben auf der Erde würde in einem solchen Szenario offensichtlich unter dem Mangel an Licht und Wärme leiden, fügte Raymond hinzu.)
Wenn die Sonne einen gleich großen schwarzen Lochbegleiter in ihrer Nähe umkreisen würde - beispielsweise ein Zehntel einer astronomischen Einheit (AU) - würden sich die Umlaufbahnen der Planeten des Sonnensystems nicht wesentlich ändern, bemerkte Raymond. (Eine AU ist die Entfernung zwischen Erde und Sonne - ungefähr 150 Millionen km.)
Unter der Annahme, dass diese Planeten den gleichen Abstand zur Sonne haben wie jetzt, würde die Anziehungskraft der Sonne und ihres Schwarzlochpartners dazu führen, dass diese Welten ihre Umlaufbahnen etwas schneller abschließen, wobei das Erdjahr von 365 Tagen auf 258 abnimmt Tage, sagte er.
Im obigen Szenario würden die Sonne und das Schwarze Loch alle 2,9 Tage eine Umlaufbahn miteinander abschließen. Dies bedeutet, dass die Energiemenge, die die Erde von der Sonne erhalten würde, zwischen 90 Prozent und 110 Prozent ihres Durchschnitts schwanken würde, wenn sich die Sonne weiter von der Erde entfernt oder näher an sie heranbewegt.
"Das ist, als würde man alle 2,9 Tage zwischen New York und Miami hin und her springen", bemerkte Raymond. [Black Hole Quiz: Wie gut kennen Sie die seltsamsten Kreationen der Natur?]
Was wäre, wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch einen Planetenring hätte?
Raymond stellte sich nicht nur das Leben um ein Schwarzes Loch mit Sternmasse vor, sondern berechnete auch, wie viele potenziell bewohnbare Planeten um ein supermassives Schwarzes Loch passen könnten, das 1 Million Mal so groß ist wie die Masse der Sonne. "Das ist fast so massiv wie das in der Mitte der Milchstraße", sagte er. Es würde nur um den Durchmesser der Sonne gehen, fügte er hinzu.
Um die Sonne herum können die Umlaufbahnen, auf denen sich Planeten bewegen, nur so nahe beieinander liegen, bevor die Auswirkungen ihrer Gravitationskräfte die der Sonne überwältigen und zu instabilen Umlaufbahnen führen. Raymond bemerkte, dass ungefähr sechs Planeten mit Erdmasse in stabile konzentrische Bahnen innerhalb der bewohnbaren Zone der Sonne passen können.
Im Gegensatz dazu ist die Anziehungskraft eines supermassiven Schwarzen Lochs außerordentlich stark genug, um die von Planeten leicht zu überwältigen. Wenn die Sonne durch ein Schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse von einer Million ersetzt würde, könnten 550 Planeten mit Erdmasse in stabile konzentrische Bahnen in der bewohnbaren Zone passen, berechnete Raymond.
Die Schwerkraft des supermassiven Schwarzen Lochs würde an der Seite jedes Planeten stärker an das Schwarze Loch heranrücken. Dies würde die Planeten der bewohnbaren Zone ausdehnen, obwohl sie nicht nahe genug wären, um auseinandergerissen zu werden, sagte Raymond.
Eine Möglichkeit, eine bewohnbare Zone um dieses supermassereiche Schwarze Loch herum zu schaffen, besteht darin, Sterne zwischen ihm und den Planeten zu platzieren. Ein Ring aus neun sonnenähnlichen Sternen, 0,5 AU von einem Millionen-Sonnen-Schwarzen Loch entfernt, würde jeden der 550 Planeten mit Erdmasse im obigen Szenario potenziell bewohnbar machen, sagte Raymond.
"Es wäre ziemlich interessant, in diesem System auf einem Planeten zu leben", bemerkte Raymond. "Es würde nur wenige Tage dauern, um eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch zu schaffen - etwa 1,6 Tage am inneren Rand der bewohnbaren Zone und 4,6 Tage am äußeren Rand." [10 Exoplaneten, die außerirdisches Leben beherbergen könnten]
Bei der nächsten Annäherung oder Verbindung zwischen zwei solchen Planeten wäre der Abstand zwischen diesen Welten "ungefähr doppelt so groß wie der Abstand zwischen Erde und Mond", bemerkte Raymond. "In Verbindung erscheint der nächste Nachbar jedes Planeten ungefähr doppelt so groß wie der Vollmond am Himmel."
Außerdem wären die nächstgelegenen Nachbarn nur doppelt so weit entfernt und würden daher während der Konjunktion so groß wie der Vollmond erscheinen, sagte Raymond. Vier weitere Planeten wären während der Konjunktion mindestens halb so groß wie der Vollmond, fügte er hinzu. "Konjunktionen treten etwas weniger als einmal pro Umlaufbahn auf, so dass alle paar Tage eine Schar riesiger Objekte über den Himmel fliegen", sagte er.
Die neun Sonnen "wären auch ein unvergesslicher Anblick", sagte Raymond. Jeder würde alle 3 Stunden seine Umlaufbahn um das Schwarze Loch vollenden.
"Das bedeutet, dass alle 20 Minuten eine der Sonnen hinter dem Schwarzen Loch vorbeizieht", sagte Raymond. "Wenn eine Sonne hinter dem Schwarzen Loch vorbeigeht, biegt die Schwerkraft des Schwarzen Lochs sein Licht und kann wie eine Linse wirken. Sie fokussiert das Sonnenlicht auf den Planeten. Dies verzerrt die Form der Sonne zu einem Ring ... einem ziemlich süßen Licht Show."
Darüber hinaus würde das Sternenlicht durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs gestreckt. "Sterne, die näher am Schwarzen Loch liegen, würden röter erscheinen, und Sterne, die weiter vom Schwarzen Loch entfernt sind, würden blauer erscheinen", sagte Raymond.
Eine Million Planeten um ein Schwarzes Loch
Im vorherigen Szenario befand sich jeder Planet allein in seiner Umlaufbahn um das supermassereiche Schwarze Loch. Raymond modellierte auch, was passieren würde, wenn mehrere Planeten eine Umlaufbahn um ein Millionen-Sonnen-Schwarzes Loch teilen würden. Zuvor berechnete Raymond, dass 42 Erdmassenplaneten in einem Ring 1 AE von der Sonne umkreisen könnten.
Um einen stabilen Ring von Planeten zu haben, bemerkte Raymond, dass alle Planeten in diesem Ring ungefähr die gleiche Masse haben müssen. Es müssen auch mindestens sieben Planeten in einem solchen Ring sein, und sie müssen gleichmäßig entlang einer Kreisbahn verteilt sein.
Angesichts eines Millionen-Sonnen-Schwarzen Lochs mit einem umlaufenden Ring aus neun sonnenähnlichen Sternen berechnete Raymond, dass eine Million Planeten mit Erdmasse in 400 Ringen innerhalb der bewohnbaren Zone umkreisen könnten, wobei jeder 2.500 Planeten in etwa demselben Abstand voneinander hält zwischen Erde und Mond. In diesem Szenario würden Planeten wieder zwischen 1,6 und 4,6 Tage brauchen, um eine Umlaufbahn zu vollenden. [Die seltsamsten schwarzen Löcher im Universum]
Anstatt neun sonnenähnliche Sterne zwischen dem Schwarzen Loch und den Planeten zu platzieren, schlug Raymond auch vor, 36 sonnenähnliche Sterne in einem 6 AU breiten Ring zu platzieren. In diesem Szenario "wird jeder Planet von allen Seiten in Sonnenlicht getaucht - die Planeten haben keine Nachtseite", sagte Raymond. "Es ist wie Asimovs permanenter Tagesplanet Kalgash."
"In diesen Systemen würde man sich niemals allein fühlen - die anderen Planeten würden sich riesig am Himmel abzeichnen", fügte Raymond hinzu. Benachbarte Planeten wären etwa zehnmal näher als der Mond an der Erde, was bedeutet, dass sie "etwa viermal größer am Himmel als der Vollmond" erscheinen würden, sagte Raymond. "Das ist ungefähr so groß wie ein Laptop, der in Reichweite gehalten wird, nur oben am Himmel."
In diesem letzteren Szenario wären die Planeten viel näher am Schwarzen Loch und würden jeweils eine Umlaufbahn in nur etwa 9 Stunden absolvieren. Dies bedeutet, dass sie mit außergewöhnlichen Geschwindigkeiten umkreisen würden - etwa 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Nach Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie scheint sich die Zeit merklich langsamer zu bewegen, je näher man der Lichtgeschwindigkeit kommt. "Zwei Babys, die im selben Moment auf verschiedenen Ringen geboren werden, würden leicht unterschiedlich schnell altern", sagte Raymond. "Das Baby am inneren Ring würde etwas langsamer altern."
Die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Ringen wären groß genug, um es einem Raumschiff wahrscheinlich unmöglich zu machen, mit irgendeiner aktuellen Technologie von einem Ring zum anderen zu reisen, sagte Raymond. Jede Welt würde jedoch ihren Ring mit Tausenden von anderen teilen, und die relative Geschwindigkeit zwischen benachbarten Planeten wäre nahezu Null. "Ein Weltraumaufzug könnte Planeten verbinden", sagte Raymond.
Wenn jedes Paar benachbarter Planeten entlang eines bestimmten Rings verbunden wäre, würde es einer "Ringwelt" ähneln, einer gigantischen außerirdischen Megastruktur in Larry Nivens gleichnamigem Science-Fiction-Epos. "Der Unterschied zwischen diesem Setup und der 'Ringworld' aus Larry Nivens Buch besteht darin, dass es in diesem Fall keine bewohnbare Oberfläche zwischen den Planeten gibt", sagte Raymond.
Woher könnten solche Millionen-Planeten-Systeme kommen? "Ich kann mir hochentwickelte Außerirdische vorstellen, die ein System wie das Millionen-Erde-Sonnensystem als kosmisches Kunstwerk erschaffen, ähnlich wie die Kunst von Wolkenkratzern oder bemalten Eisbergen", sagte Raymond. "Eine Möglichkeit zu sagen: 'Schau, wie schick wir sind' im größten Maßstab."
"Oder vielleicht würden Außerirdische ein solches System als Zoo schaffen", sagte Raymond. "Sie könnten ein Gefälle in den Klimazonen vom heißesten zum kältesten haben und die Planeten mit allen Arten von Kreaturen versorgen, die sie im ganzen Universum sammeln. Natürlich müssten sie aufpassen, dass sie nicht die falschen Kombinationen von Weltraumkreaturen auf die Erde setzen der gleiche Planetenring, denn das würde nicht gut enden. "
Alles in allem "ist es hilfreich zu versuchen, alle möglichen Planetensysteme zu finden, die es möglicherweise gibt", sagte Raymond. "Einige Entdeckungen hätten vorweggenommen werden können, wenn man dorthin gegangen wäre und sich Möglichkeiten vorgestellt hätte, die weit außerhalb der Norm liegen. Diese Systeme sind eine Kombination aus Science-Fiction und in diesem Sinne dorthin."
"Die Hauptsache, die ich anstrebe, ist einfach zu versuchen, die Grenzen dessen zu verschieben, was wir für möglich halten", schloss Raymond.
