Zou een bewoonbare planeet in een baan om een ​​superzwaar zwart gat kunnen draaien?

Promotionele afbeelding uit de film van Interstallar BELANGRIJKE FOTO'S EN WARNER BROS. AFBEELDINGEN

interstellaire heeft een speciale plaats voor sciencefictionfans. De uitvoerend producent en wetenschappelijk adviseur van de film was Kip Thorne, een Nobelprijswinnende natuurkundige die zwoer dat niets in de film de wetten van de natuurkunde zou schenden en dat elke wilde speculatie zou voortkomen uit de wetenschap.

Het uitgangspunt van de film is dat de aarde onbewoonbaar wordt en dat mensen een andere plek moeten vinden om te leven. Het toeval wil dat astronomen een wormgat bij Saturnus hebben ontdekt dat fungeert als een tunnel door de ruimtetijd naar een verre superzwaar zwart gat genaamd Gargantuan.

Verschillende planeten draaien om Gargantuan. Daarom stuurt NASA een aantal missies om de planeten te onderzoeken in de hoop er een te vinden die bewoonbaar is.

Er is veel geschreven over de wetenschappelijke nauwkeurigheid van de film, de weergave van zwarte gaten, enzovoort, het meeste vol lof. De natuurkundige Michio Kaku zei dat dit de gouden standaard is waarmee toekomstige sciencefictionfilms zullen worden beoordeeld.

Maar één vraag moet nog worden beantwoord: is het mogelijk dat een bewoonbare planeet om een ​​superzwaar zwart gat draait? En vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Jeremy Schnittman in het NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Schnittmann heeft de vraag luchtig bekeken en berekend of er omstandigheden kunnen bestaan ​​die rijp zijn voor leven op een planeet die in de buurt van een superzwaar zwart gat draait. En zijn conclusies zijn verrassend.

Eerst wat achtergrond. Astrobiologen hebben lang gediscussieerd over de voorwaarden die nodig zijn voor het leven van de aardachtige variëteit. Er is brede overeenstemming dat de aanwezigheid van vloeibaar water een van de fundamentele vereisten is, en dit stelt specifieke limieten aan de temperatuur van bewoonbare planeten.

Schnittmans benadering is om te vragen wat voor soort energiebronnen dit soort temperaturen kunnen genereren op een planeet die rond een zwart gat draait. Zo'n energiebron zou heel anders moeten zijn dan die van de aarde.

De atmosferische temperatuur is hier het resultaat van de balans tussen inkomende energie van de zon, die de atmosfeer verwarmt, en de uitgaande energie die energie wegneemt. Dit blijkt een complexe relatie te zijn die een heel eigen discipline heeft voortgebracht in de vorm van klimaatwetenschap.

Desalniettemin zou het binnenkomende licht zonder zon verdwijnen en bijna alle energie voor het leven op aarde wegnemen. Zonder de constante warmtestroom zouden de oceanen waarschijnlijk binnen enkele dagen bevriezen, zegt Schnittman.

Maar het blijkt dat er een aantal andere energiebronnen zijn voor een planeet die rond een superzwaar zwart gat draait. Het meest voor de hand liggende is dat superzware zwarte gaten helemaal niet zwart zijn. Het meeste van wat we weten over zwarte gaten komt van het observeren van de elektromagnetische straling die uit gas komt terwijl het op het zwarte gat aangroeit, zegt Schnittman. Je zou je natuurlijk kunnen voorstellen dat het vervangen van de zon door een groeiend zwart gat toch niet het einde van het leven op aarde is.

Maar superzware zwarte gaten zijn niet alleen helder; ze zijn de helderste aanhoudende stralingsbronnen in het universum, vooral in het ultraviolette gebied waar de straling piekt. Ze zijn omgeven door een hete accretieschijf van gas die in het zwarte gat valt.

De omstandigheden in zo'n schijf zijn gewoon te extreem om vloeibaar water te ondersteunen, maar Schnittman zegt dat ze comfortabeler kunnen worden gemaakt door je voor te stellen dat de accretiesnelheid van het zwarte gat een kleine fractie is van de waargenomen waarde.

Het resultaat is dat elke planeet die in de buurt van een superzwaar zwart gat draait, dat zou doen in een wolk van heet gas. In de film cirkelen de interessante planeten net voorbij de waarnemingshorizon van het zwarte gat, waar Schnittman berekent dat ze zouden worden omringd door een zwart-lichaamsstralingsveld van 6000 graden. Nauwelijks gastvrij voor het leven, merkt hij op.

Verder weg zou het gas koeler zijn. Om op kamertemperatuur te komen, zou de planeet moeten draaien op een afstand die 100 keer de zwaartekrachtsstraal van het zwarte gat is.

Dus op het eerste gezicht zou vloeibaar water mogelijk zijn op zo'n planeet. Of het leven zou kunnen evolueren, is moeilijker in te schatten. Alle bekende levensvormen hebben een energie nodig verloop om te overleven, zou een allesdoordringende stralingsachtergrond van zwarte lichamen waarschijnlijk niet erg bevorderlijk zijn voor complex leven, zegt Schnittman.

Er is een klein probleem met de film omdat de planeet duidelijk voorbij de accretieschijf draait, wat volgens Schnittman dynamisch onstabiel zou zijn.

Een groter probleem is dat als de accretiesnelheid lager zou zijn, de dichtheid van de schijf ook lager zou zijn, waardoor het moeilijker zou zijn om uit te stralen. En zonder deze straling zou de accretieschijf net boven de temperatuur van vloeibaar water opwarmen. Er is dus een paradox in het hart van dit argument die het uiteindelijk ontkracht.

Niet alles is echter verloren. Er is nog een andere energiebron in de vorm van kosmische microgolfachtergrond, de echo van de oerknal. Astronomen hebben deze straling gemeten en ze heeft een temperatuur van slechts 2,7 K, nauwelijks genoeg om vloeibaar water in stand te houden.

Maar hier komt de magie van relativiteit om de hoek kijken. Zoals duidelijk wordt in de film, vertraagt ​​de tijd voor waarnemers op het oppervlak van de planeet, en dit heeft het effect van blauw verschuivend licht, waardoor het heter wordt. En hoe dichter de planeet bij het zwarte gat is, hoe groter dit effect zal zijn.

Schnittman berekent dat een planeet die net buiten de straal van de zwaartekracht ronddraait, genoeg verwarming van de kosmische microgolfachtergrond zou ervaren om de slag te slaan. Dit zou zijn als een baan om een ​​witte dwerg op een afstand van 0,2 AU, zegt hij. Dat zou voldoende energie leveren voor vloeibaar water, maar zou de planeet ook in gevaarlijke niveaus van ultraviolet onderdompelen.

Dan is er het licht van andere sterren. Op aarde is de nachtelijke hemel donker omdat we in een relatief dunne arm van de melkweg zitten. Maar superzware zwarte gaten bevinden zich over het algemeen in het centrum van sterrenstelsels, waar de dichtheid van sterren aanzienlijk hoger is. Dus voor een planeet die rond het superzware zwarte gat in het centrum van onze melkweg draait, zou de nachtelijke hemel 100.000 keer helderder zijn dan op aarde.

Dat zou zorgen voor een aanzienlijke achtergrond van UV-licht en röntgenstralen. Schnittman stelt zich een beschaving voor die voldoende gevorderd is om een ​​soort omgekeerde Dyson-bol te bouwen die deze energie weerkaatst. Dit zou de bewoonbaarheid veel dichter bij het superzware zwarte gat van de gastheer mogelijk maken, zelfs in het licht van overweldigende UV- of röntgenstraling op de achtergrond, zegt hij hopelijk.

Maar zelfs met zo'n beschermend schild is er nog steeds het spook van de stille moordenaar van de natuur: neutrino's, zegt hij met een toenemend gevoel van ellende. Neutrino's hebben geen sterke interactie met materie. Maar als er grote aantallen zijn, kunnen ze een aanzienlijke impact hebben.

Sommige wetenschappers denken dat massale uitstervingsgebeurtenissen op aarde werden veroorzaakt door enorme neutrino-uitbarstingen van nabijgelegen supernova's. En een superzwaar zwart gat zou meer dan genoeg creëren om de feeststemming op elke planeet te temperen.

Neutrino's kunnen echter leiden tot geothermische verwarming. En in tegenstelling tot de schadelijke UV- of röntgenstraalstroom van deze blauw verschoven elektromagnetische straling, zou neutrinoverwarming van de kern van de planeet kunnen leiden tot een bloeiende populatie van levensvormen die vergelijkbaar zijn met die gevonden in de buurt van diepe oceaanopeningen op aarde, zegt Schnittman, met meer dan een hint van wensdenken.

Dit gevoel gaat snel verloren als hij overgaat tot andere redenen om pessimistisch te zijn. In de buurt van een zwart gat zouden zwaartekrachtgolven zorgen voor een constant gezoem van destructieve trillingen. En donkere materie, als die zou bestaan, zorgt voor een rijk tapijt van onheil.

Schnittman let erop dat hij de mogelijkheid dat een bewoonbare planeet in een baan om een ​​superzwaar zwart gat draait, niet volledig uit de weg gaat, althans niet expliciet.

Maar de impliciete boodschap is duidelijk: er is weinig gastvrijheid daar. Als er ergens in het universum is waar mensen naar bewoonbare planeten zouden moeten zoeken, dan is het waarschijnlijk zo ver mogelijk verwijderd van superzware achtergaten.

Fans van interstellaire, houd er rekening mee dat!

Referentie: arxiv.org/abs/1910.0940 : Life on Miller's Planet: de bewoonbare zone rond superzware zwarte gaten

zich verstoppen