Un numero enorme di pianeti potenzialmente abitabili potrebbe teoricamente esistere in orbite stabili attorno a un buco nero supermassiccio, come il romanzo Gargantua del film 2014 "Interstellare".
(Immagine: © Paramount Pictures)
Un buco nero potrebbe avere 1 milione di pianeti in orbita attorno ad esso potenzialmente in grado di sostenere la vita come la conosciamo, suggerisce un astrofisico.
Dal momento che esiste vita praticamente ovunque esiste acqua liquida sulla Terra, gli astronomi spesso giudicano un mondo potenzialmente abitabile se orbita all'interno di una zona in cui l'acqua liquida potrebbe sopravvivere sulla sua superficie. La "zona abitabile" del nostro sole ospita solo un pianeta (Terra), ma la storia potrebbe essere diversa per le altre stelle. Ad esempio, il sistema TRAPPIST-1 ha tre pianeti delle dimensioni della Terra nella sua zona abitabile.
Sean Raymond, un astrofisico all'Osservatorio di Bordeaux in Francia, studia come si formano e si evolvono i sistemi planetari. Come parte di una colonna, Raymond scrive "Costruire il sistema solare definitivo" e si mise in viaggio per vedere quanti pianeti potevano orbitare in un buco nero. [I buchi neri più strani nello spazio]
"Penso che possiamo imparare dagli estremi ... sono fondamentalmente i confini della scatola in cui stiamo cercando", ha detto Raymond a Space.com. "Questo sistema è un estremo - il più impensabile immaginabile. È una miscela divertente di immaginazione e scienza."
Attualmente ci sono due tipi di buchi neri che gli scienziati conoscono meglio, ha detto Raymond. I buchi neri di massa stellare sono uguali in massa a pochi soli e si formano quando le stelle giganti muoiono e collassano su se stesse. I buchi neri supermassicci sono milioni o miliardi di volte la massa del sole e si pensa esistano nei cuori della maggior parte, se non di tutte, le grandi galassie. (Una terza classe, buchi neri di massa intermedia, è capita male.)
I buchi neri sono estremamente compatti. Un buco nero con la massa del sole sarebbe largo circa 3,7 miglia (6 chilometri). In confronto, il Sagittario A *, il buco nero supermassiccio che si pensa si annida nel cuore della Via Lattea, ha una massa di circa 4 milioni di soli e un diametro di circa 14,7 milioni di miglia (23,6 milioni di km), o poco più di 40 percento delle dimensioni dell'orbita di Mercurio attorno al sole.
E se il sole avesse un compagno buco nero?
Una domanda comune nelle lezioni di fisica è immaginare cosa cambierebbe se il sole fosse sostituito da un buco nero della stessa massa, ha detto Raymond. La risposta è che nulla cambierebbe rispetto alle orbite dei pianeti: se il buco nero avesse la stessa massa del sole, le orbite rimarrebbero le stesse. (La vita sulla Terra soffrirebbe ovviamente della mancanza di luce e calore in uno scenario del genere, ha aggiunto Raymond.)
Se il sole avesse un compagno di buco nero di uguale massa in orbita vicino ad esso - ad esempio un decimo di un'unità astronomica (AU) - le orbite dei pianeti del sistema solare non cambierebbero molto, osservò Raymond. (Una UA è la distanza Terra-sole - circa 93 milioni di miglia, o 150 milioni di km.)
Tuttavia, supponendo che questi pianeti mantengano la stessa distanza dal sole come fanno ora, l'attrazione gravitazionale del sole e del suo partner del buco nero porterebbe questi mondi a completare le loro orbite un po 'più rapidamente, con l'anno terrestre che scende da 365 giorni a 258 giorni, ha detto.
Nello scenario sopra, il sole e il buco nero completerebbero un'orbita l'uno con l'altro ogni 2,9 giorni. Ciò significa che la quantità di energia che la Terra riceverebbe dal sole fluttuerebbe tra il 90 percento e il 110 percento della sua media mentre il sole si spostava più lontano o più vicino alla Terra.
"È come rimbalzare tra New York e Miami e ritorno ogni 2,9 giorni", ha osservato Raymond. [Black Hole Quiz: Quanto conosci le creazioni più strane della natura?]
E se un buco nero supermassiccio avesse un anello di pianeti?
Oltre a immaginare la vita attorno a un buco nero di massa stellare, Raymond ha anche calcolato quanti pianeti potenzialmente abitabili potrebbero adattarsi a un buco nero supermassiccio 1 milione di volte la massa del sole. "È quasi massiccio come quello al centro della Via Lattea", ha detto. Sarebbe solo circa il diametro del sole, ha aggiunto.
Intorno al sole, le orbite che i pianeti viaggiano possono avvicinarsi così tanto prima che gli effetti delle loro spinte gravitazionali sopraffanno quelle del sole, portando a orbite instabili. Raymond notò che circa sei pianeti di massa terrestre potevano inserirsi in orbite concentriche stabili all'interno della zona abitabile del sole.
Al contrario, l'attrazione gravitazionale di un buco nero supermassiccio è straordinariamente forte, abbastanza da sopraffare facilmente quelle dei pianeti. Se il sole venisse sostituito con un buco nero di massa solare di milioni, 550 pianeti di massa terrestre potrebbero inserirsi in orbite concentriche stabili nella zona abitabile, calcolò Raymond.
La gravità del buco nero supermassiccio tirerebbe più fortemente sul lato di ogni pianeta più vicino al buco nero. Ciò allungherebbe i pianeti della zona abitabile, anche se non sarebbero abbastanza vicini da essere fatti a pezzi, ha detto Raymond.
Un modo per creare una zona abitabile attorno a questo buco nero supermassiccio è posizionare le stelle tra esso e i pianeti. Un anello di nove stelle simili al sole a 0,5 UA da un buco nero di un milione di sole renderebbe abitabili ciascuno dei 550 pianeti di massa terrestre nello scenario sopra, ha detto Raymond.
"Sarebbe piuttosto interessante vivere su un pianeta in questo sistema", ha osservato Raymond. "Occorrerebbero solo pochi giorni per completare un'orbita attorno al buco nero - circa 1,6 giorni al margine interno della zona abitabile e 4,6 giorni al bordo esterno." [10 esopianeti che potrebbero ospitare la vita aliena]
All'approccio più vicino, o congiunzione, tra due di questi pianeti, la distanza tra questi mondi sarebbe "circa il doppio della distanza Terra-Luna", ha osservato Raymond. "Alla congiunzione, il vicino più vicino di ogni pianeta appare circa il doppio della luna piena nel cielo."
Inoltre, i vicini più prossimi sarebbero solo due volte più lontani, e così sembrerebbe grande come la luna piena durante la congiunzione, ha detto Raymond. Altri quattro pianeti sarebbero almeno la metà della luna piena durante la congiunzione, ha aggiunto. "Le congiunzioni avvengono un po 'meno di una volta per orbita, quindi ogni pochi giorni c'è un branco di oggetti giganti che attraversano il cielo", ha detto.
I nove soli "sarebbero anche uno spettacolo da vedere", ha detto Raymond. Ognuno completerebbe la sua orbita attorno al buco nero ogni 3 ore.
"Ciò significa che ogni 20 minuti, uno dei soli passerebbe dietro il buco nero", ha detto Raymond. "Quando un sole passa dietro il buco nero, la gravità del buco nero piega la sua luce e può agire come una lente. Mette a fuoco la luce del sole verso il pianeta. Questo distorce la forma del sole in un anello ... una luce piuttosto dolce mostrare."
Inoltre, la luce delle stelle sarebbe allungata dalla gravità del buco nero. "Le stelle più vicine al buco nero sembrerebbero più rosse e quelle più lontane dal buco nero sembrerebbero più blu", ha detto Raymond.
Un milione di pianeti attorno a un buco nero
Nello scenario precedente, ogni pianeta era solo nella sua orbita attorno al buco nero supermassiccio. Raymond ha anche modellato ciò che accadrebbe se più pianeti condividessero un'orbita attorno a un buco nero da un milione di sole. In precedenza, Raymond aveva calcolato che 42 pianeti di massa terrestre potevano orbitare in un anello 1 UA dal sole.
Per avere un anello stabile di pianeti, Raymond notò che i pianeti di quell'anello devono avere approssimativamente la stessa massa. Ci devono anche essere almeno sette pianeti in un tale anello e devono essere distribuiti uniformemente lungo un'orbita circolare.
Dato un buco nero da un milione di sole con un anello orbitante di nove stelle simili al sole, Raymond calcolò che un milione di pianeti di massa terrestre potesse orbitare all'interno della zona abitabile in 400 anelli, ciascuno con 2.500 pianeti distanziati di circa la stessa distanza tra la terra e la luna. In questo scenario, i pianeti impiegherebbero di nuovo da 1,6 a 4,6 giorni per completare un'orbita. [I buchi neri più strani nell'universo]
Invece di posizionare nove stelle simili al sole tra il buco nero e i pianeti, Raymond suggerì anche di poter posizionare 36 stelle simili al sole in un anello largo 6 UA. In questo scenario, "ogni pianeta è inondato di luce solare da tutti i lati - i pianeti non hanno un lato notturno", ha detto Raymond. "È come il pianeta diurno permanente di Asimov, Kalgash."
"Non ti sentiresti mai solo in questi sistemi - gli altri pianeti si profilerebbero enormi nel cielo", ha aggiunto Raymond. I pianeti vicini sarebbero circa 10 volte più vicini di quanto la luna non sia sulla Terra, il che significa che apparirebbero "circa 40 volte più grandi nel cielo della luna piena", ha detto Raymond. "Ha le dimensioni di un computer portatile tenuto a portata di mano, solo in cielo."
In quest'ultimo scenario, i pianeti sarebbero molto più vicini al buco nero, completando ciascuno un'orbita in circa 9 ore. Ciò significa che orbiterebbero a velocità straordinarie, circa il 10 percento della velocità della luce. Secondo la teoria della relatività speciale di Einstein, il tempo sembrerebbe spostarsi notevolmente più lentamente man mano che ci si avvicina alla velocità della luce, quindi "due bambini nati nello stesso istante su anelli diversi invecchiano a velocità leggermente diverse", ha detto Raymond. "Il bambino sull'anello interno invecchierebbe leggermente più lentamente."
Le differenze di velocità tra gli anelli sarebbero abbastanza grandi da rendere probabilmente impossibile per un'astronave viaggiare da un anello all'altro con qualsiasi tecnologia attuale, ha detto Raymond. Tuttavia, ogni mondo condividerebbe il suo anello con migliaia di altri e la velocità relativa tra i pianeti vicini sarebbe quasi zero. "Un ascensore spaziale potrebbe collegare i pianeti", ha detto Raymond.
Se ogni coppia di pianeti vicini lungo un determinato anello fosse collegata, assomiglierebbe a un "Ringworld", una gigantesca megastruttura aliena nell'epopea di fantascienza di Larry Niven con lo stesso nome. "La differenza tra questa configurazione e il 'Ringworld' dal libro di Larry Niven è che, in questo caso, non c'è una superficie abitabile tra i pianeti", ha detto Raymond.
Da dove potrebbero provenire tali sistemi di milioni di pianeti? "Posso immaginare alieni super-avanzati che creano un sistema come il sistema solare da milioni di Terra come un'opera d'arte cosmica, un po 'come l'arte di grattacieli o iceberg dipinti", ha detto Raymond. "Un modo per dire, 'Guarda quanto siamo fantasiosi', sulla scala più grande."
"O forse gli alieni avrebbero creato questo tipo di sistema come uno zoo", ha detto Raymond. "Potrebbero avere un gradiente nei climi dal più caldo al più freddo, e rifornire i pianeti di ogni sorta di creature che raccolgono in tutto l'universo. Naturalmente, dovrebbero fare attenzione a non mettere le combinazioni sbagliate di creature spaziali sul stesso anello di pianeti, perché non sarebbe finito bene ".
Tutto sommato, "è utile cercare di trovare tutti i possibili sistemi planetari che potrebbero essere là fuori", ha detto Raymond. "Alcune scoperte avrebbero potuto essere anticipate" andando lì "e immaginando possibilità che sono ben al di fuori della norma. Questi sistemi sono una combinazione di fantascienza e" andare lì "in quel senso."
"La cosa principale che cerco è semplicemente cercare di spingere i limiti di ciò che pensiamo sia possibile", ha concluso Raymond.
