Может ли обитаемая планета вращаться вокруг черной дыры? Как будет выглядеть небо на такой планете, и как на ней будет идти время? Эти вопросы могут показаться чистой игрой ума, однако иногда такие интеллектуальные упражнения часто помогают астрономам ставить перед собой новые задачи.

Science (США): может ли обитаемая планета вращаться вокруг черной дыры?

Считается, что сверхмассивные черные дыры поедают все, что только можно, включая газовые облака и целые планетные системы, вроде солнечной. Интересно, а может ли вокруг такой космической хищницы вращаться какая-нибудь обитаемая планета? Вы удивитесь, но ученые считают, что это в принципе возможно, хотя существует множество причин, по которым жизнь вряд ли смогла бы укорениться в таком месте. Но если бы это произошло, жить на такой планете было бы очень странно: черная дыра заслоняла бы собой почти полнеба и, сконцентрировав оставшиеся после большого взрыва фотоны, формировала бы этакое подобие солнца.

Сам этот вопрос был навеян фильмом 2014 года "Интерстеллар" (Interstellar). Там показано, как астронавты летят через кротовую нору по направлению к гигантской черной дыре, попутно посещая несколько планет, вращающихся вокруг этой самой дыры. Астрофизик Павел Бакала (Pavel Bakala) из Силезского университета в городе Опава вместе с коллегами решил подойти к этой задаче, рассмотрев физику подобных планетных систем с точки зрения термодинамики. Чтобы жизнь развивалась, планете необходим источник энергии (например, для Земли - это Солнце) и теплоприемник для избыточного тепла (для нас его роль выполняет холод космического пространства). Разница между ними двумя управляет процессами, порождающими жизнь.

Однако в фильме ситуация обратная: "солнце" холодное, а космическое пространство горячее. Ученые полагают, что черная дыра является идеальным теплоприемником, а полезная энергия может порождаться реликтовым излучением. Это излучение, пронизывающее космическое пространство, является отголоском большого взрыва. Реликтовое излучение - слабое, его температура всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, однако мощнейшая гравитация сверхмассивной черной дыры перевела бы его в оптический диапазон, сфокусировав в виде узкого луча. И, как утверждают ученые, на одной из этих причудливых планет реликтовое излучение появилось бы в виде яркой звезды, сияющей на краю черной дыры.

Впервые об этой идее ученые поведали в 2017 году. И теперь они подкрепили свою гипотезу цифрами. Чтобы получить достаточно сильный свет от реликтового излучения, планета должна была бы вращаться на очень близком расстоянии от горизонта событий черной дыры. Но, как известно, любой объект, приближающийся к ней на близкое расстояние, в конечном итоге будет ею поглощен. Однако если черная дыра достаточно быстро вращается, то возможно появление на близком расстоянии устойчивых орбит. Как сообщают ученые в The Astrophysical Journal, для того, чтобы планета приблизилась на достаточно близкое расстояние, поверхность черной дыры должна вращаться со скоростью, меньше чем на стомиллионную долю процента уступающей скорости света.

Кроме того, согласно расчетам ученых, масса черной дыры должна как минимум в 163 миллиона раз превосходить массу нашего Солнца. Это потому, что сверхмассивная черная дыра малых размеров и весом в 4 миллиона солнечных масс (одна из таких обнаружена в Млечном Пути) с помощью приливных сил способна уничтожать звезды или планеты по мере приближения последних к ней. А вот рядом с более крупными черными дырами такого приливного разрушения не происходит до тех пор, пока какая-нибудь звезда или планета не окажется внутри горизонта событий; поэтому все, что находится снаружи, этому разрушению не подвержено.

Для того чтобы планета успешно эволюционировала, центр галактики также должен быть неподвижен (как выразился Бакала, "старая галактика" с "почти пустым пространством", окружающим черную дыру). Ведь если черная дыра будет засасывать какую-нибудь другую случайно оказавшуюся рядом материю, то процесс гибели этой материи будет сопровождаться мощной вспышкой излучения, способной погубить любое проявление жизни на соседней планете. В любом случае, как сказал Бакала, "вряд ли какая-то жизнь появится в таких условиях".

Такая планета, разумеется, будет очень странным местом. Кромешная темнота горизонта событий, закрывшего собой почти полнеба, - все это выглядит угрожающе. Кроме того, из-за релятивистского замедления времени по канонам теории гравитации Альберта Эйнштейна, известной как общая теория относительности, один год на такой планете приравнивается к тысячелетию на планете, вращающейся вокруг обычной звезды.

И даже если бы в подобных условиях появилась жизнь, то мы вряд ли бы смогли ее обнаружить, так как если планета будет проходить по диску черной дыры, то ее нельзя будет заметить на его фоне. Подобное прохождение планеты можно было бы наблюдать на любом из радиотелескопов, взять хотя бы тот, с помощью которого мы впервые в истории получили изображение черной дыры. Впрочем, по словам Бакалы, такой транзит могли бы обнаружить многие из радиотелескопов, подобных тому, который использовался в прошлом году, чтобы впервые в истории получить изображение черной дыры. "С технической точки зрения это сделать не так просто, но с теоретической - это возможно".
К этим вопросам часто обращается физик-теоретик из Гарвардского университета Ави Леб. В прошлом году он размышлял о "некоторых забавных вещах, которые, как представляется, могут происходить поблизости от черной дыры", таких как, скажем, использование ее аккреционного диска для сжигания мусора и производства полезной энергии или полет с помощью фотонных парусов на релятивистских струях, исходящих из полюсов черной дыры. И хотя, по мнению Леба, подобные теоретические упражнения полезны для иллюстрации гравитационных явлений и для понимания сути экстремальных условий, возникающих в пространстве вокруг черной дыры, все же ученый готов высказать множество доводов, по которым любая планета, расположенная рядом с черной дырой, не пригодна для жизни.

Во-первых, говорит ученый, необходимая высокая скорость вращения черной дыры должна быть близка к максимально возможной (с точки зрения физики). При этом какого-то известного механизма для быстрого вращения черной дыры не существует.

Еще одна проблема: как планета может выйти на такую орбиту? В прошлом году японские ученые утверждали, что холодные планеты могут образоваться из газа и пыли, которыми пропитано пространство на некотором расстоянии вокруг галактического центра. Но, по словам Леба, трудно представить, каким образом планета может переместиться на орбиту, расположенную буквально над самой поверхностью черной дыры.

И еще важное замечание: по расчетам, проведенным Лебом и его коллегами в прошлом году, большинство звезд во внутренних частях галактик, по всей видимости, лишатся своей атмосферы в результате мощных вспышек экстремального ультрафиолетового излучения, исходящего из центральной области черной дыры по мере ее роста, обусловленного поглощением газа и пыли. Понято, что у планеты, расположенной близко к ее поверхности, вообще не было бы никаких шансов.

Сам Бакала признает, что его исследование было всего лишь интеллектуальным упражнением, цель которого отчасти состояла в том, чтобы заинтересовать студентов термодинамикой. Однако даже эта игра ума побудила Бакалу вместе с его коллегами перейти к задаче обнаружения небольших небесных тел вблизи галактических центров. Астрономам удается наблюдать большие яркие солнца, известные как звезды S-типа, однако Бакала полагает, что более старые и тусклые объекты, такие как нейтронные звезды, способны заявить о своем существовании посредством гравитации.

По словам Леба, его идеи возникли в результате недавно прочитанного курса. Однажды Леб спросил своих студентов, что они предпочли бы - прокатиться на инопланетном космическом корабле или отправиться в черную дыру? Большинство захотели встретиться с инопланетянами и рассказать об этом в интернете, если, конечно же, будет к нему доступ. А вот путешествие в черную дыру никого не привлекло, ведь Instagram там не работает - даже он не в силах преодолеть ее притяжение.

Дэниел Клери (Daniel Clery)
4..02.2020
Оригинал публикации: Could a habitable planet orbit a black