Verzweigungen des Sternsystems Schwarzes Loch

Für die, die es nicht gesehen haben:

Einige menschliche Entdecker landen auf einem Planeten, der ein Schwarzes Loch umkreist. Das Schwarze Loch ist von einer großen Akkretionsscheibe umgeben. Der Planet umkreist in einer solchen Entfernung, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Sie herauskommen, gering ist, wenn Sie sich dem Schwarzen Loch nähern. es besteht auch aus Wasser. Schließlich bedeutet die Zeitdilatation durch das Schwarze Loch, dass, obwohl die Charaktere etwa zwei Stunden auf dem Planeten verbringen, für ihren Kollegen an Bord etwa ein Jahrzehnt vergeht.

Die grundlegende Antwort ist, dass ein Planet ein Schwarzes Loch umkreisen kann. Es gibt stabile Umlaufbahnen um schwarze Löcher, genauso wie es stabile Umlaufbahnen um fast jeden Himmelskörper gibt. Es gibt ein Problem: Ein Schwarzes Loch entsteht typischerweise als Folge einer Supernova. Dadurch werden die meisten nahegelegenen Planeten aus dem Sternensystem herausgeschleudert. Alternativ ist es unwahrscheinlich, dass ein Planet von einem Schwarzen Loch eingefangen wird und sich in einer stabilen Umlaufbahn befindet, sodass die gesamte Prämisse – obwohl möglich – höchst unwahrscheinlich ist. Andererseits ist es unwahrscheinlich, dass ein Planet aus Wasser besteht, sich ein Wurmloch in der Nähe von Jupiter öffnet oder Matthew McConaughey in einem anständigen Science-Fiction-Film mitspielt, also warum sollte irgendetwas anderes in der Geschichte normal sein?

Sie können jedoch nicht einfach einen Planeten in die Nähe eines Schwarzen Lochs bringen, ihm einen ausreichend starken Schub geben und hoffen, dass er umkreist. Die innerste Umlaufbahn liegt am Rand der Photonenkugel . Auf dieser Kugel können nur Photonen kreisen. Darin kann nichts umkreisen. Die einzige stabile Umlaufbahn ist jedoch doppelt so weit entfernt, nämlich at$2r_p$.

Der Radius der Kugel ist

Wir gehen davon aus, dass sich das Objekt nicht dreht (ich weiß nicht genau, ob es sich dreht oder nicht, aber in dieser Demo ist es einfacher zu sagen, dass es sich nicht dreht). Die Formel für die Gravitationszeitdilatation lautet

Änderungen nach der Fragebearbeitung:

Es konnte kein supermassereiches Schwarzes Loch gewesen sein ; diese bilden sich im Zentrum von Galaxien. Es könnte ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse gewesen sein , obwohl ein Schwarzes Loch mit mittlerer Masse ebenfalls wahrscheinlich ist – wenn nicht sogar wahrscheinlicher, wenn die Massivität betont wird.

Interessant ist die Existenz des Neutronensterns. Wenn das Schwarze Loch eine mittlere Masse hätte, würde ich erwarten, dass es den Neutronenstern inzwischen verschlungen hätte – und auch die Planeten. Ich würde also wetten, dass das Schwarze Loch ein etwas massiveres Schwarzes Loch mit stellarer Masse als der Durchschnitt ist. Ich bezweifle sehr, dass mehrere Planeten ein Schwarzes Loch umkreisen könnten - aus dem Grund, den ich oben angegeben habe; die Supernova hätte sie zerstört oder aus dem System geschleudert.

Wäre einer der Planeten bewohnbar? Ich bezweifle es. Die Akkretionsscheibe könnte sich genug aufheizen, um etwas Licht zu liefern, aber es würde wahrscheinlich nicht viel geben. Ich werde die Berechnungen entweder später heute oder möglicherweise morgen aufschreiben, da ich ein bisschen laTeXed bin, nachdem ich eine mathematische Antwort auf Worldbuilding geschrieben habe, um die Leuchtkraft zu finden, aber ich vermute, dass sie vernachlässigbar sein wird - ebenso wie die Hawking-Strahlung , falls irgendein Klugscheißer vorhatte, das anzusprechen.

Eine Folge der Nähe zu einem Schwarzen Loch wie Millers Planet im Film wäre, dass die kosmische Hintergrundstrahlung blauverschoben wäre und erheblich dazu beitragen würde, den Planeten warm zu halten. Tomáš Opartrný, Lukáš Richterek und Pavel Bakala schätzen in ihrer Arbeit „ Life under a black sun “, dass Millers Planet unangenehm heiß sein würde:

Die schlechte Nachricht für die besuchenden Astronauten ist, dass es zu viel Energie ist: die einfallende Flussdichte (Leistung pro Flächeneinheit senkrecht zur einfallenden Strahlung) ist$\Phi \approx 420\ \rm kW/m^2$, dh etwa 300-mal größer als die Sonnenkonstante. Dieser Wert kann verwendet werden, um die Gleichgewichtstemperatur eines Planeten zu finden, der seine Energie als schwarzer Körper abstrahlt,$T = \sqrt[4]{\Phi/(4\sigma)} \approx 890 \rm ^{\circ}C$. So könnten die auf dem Planeten beobachteten Flutwellen zB aus geschmolzenem Aluminium bestehen. Außerdem würden die Astronauten von extremer UV-Strahlung gegrillt.

Ein Folgepapier, „ Habitable Zones around Almost Extreme Spinning Black Holes (Black Sun revisited) “ von Pavel Bakala, Jan Docekal und Zuzana Turonova untersucht das Szenario weiter und stellt fest, dass Schwarze Löcher mit Massen von mehr als 1,63×10 ⁸ Sonnenmassen haben würden ihre bewohnbaren Zonen (allein aufgrund der blauverschobenen Hintergrundstrahlung) jenseits des Gezeitenstörungsradius für einen erdähnlichen Planeten. Sie stellen fest, dass auf einem solchen Planeten der Großteil der Strahlung im ultravioletten Teil des Spektrums liegen würde, aber es würde immer noch einen gewissen Fluss im sichtbaren und infraroten Bereich geben. Sie schätzen auch die Zeitskala für den orbitalen Zerfall des Planeten aufgrund der Gravitationsstrahlung und schätzen, dass die Zeitskala zum Durchqueren der bewohnbaren Zone ~10 ¹⁰ Jahre beträgt.

Das Szenario einschließlich einer Akkretionsscheibe wird in " Life on Miller's Planet: The Habitable Zone Around Supermassive Black Holes " von Jeremy D. Schnittman untersucht. Es überrascht nicht, dass zusätzliche Strahlung von der Akkretionsscheibe die Bedingungen auf Millers Planeten noch verschlimmert.

Die Temperatur [der Akkretionsscheibe] skaliert mit der Masse und der Akkretionsrate des Schwarzen Lochs

$$T_{\rm peak} \approx 2 \times 10^5 \left( \frac{M}{10^8\ M_\odot} \right)^{-1/2} \left( \frac{\dot{M}}{0.1 \dot{M}_{\rm Edd}} \right)^{1/4} \rm K$$ Wenn wir also wollen, dass die Akkretionsscheibe eher wie ein Hauptreihenstern aussieht (tatsächlich erscheint die Visualisierung von Gargantuas Akkretionsscheibe in einer sehr ähnlichen Farbe wie unsere eigene Sonne), müssen wir die Akkretionsrate um einen Faktor von einer Million herunterskalieren . Doch selbst danach wird Millers Planet, der knapp außerhalb des Horizonts umkreist, vollständig von einem 6000-Grad-Schwarzkörper-Strahlungsfeld umgeben sein: kaum lebensfreundlich!

Das im Film dargestellte Szenario, in dem sich der Planet außerhalb der Akkretionsscheibe befindet, erscheint nicht allzu wahrscheinlich.

Schnittman wirft auch die Frage auf, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch in einem galaktischen Kern von Sternen umgeben wäre und diese ebenfalls blauverschoben wären. Die scheinbaren Temperaturen sonnenähnlicher Sterne wären extrem hoch, was bedeutet, dass der Großteil der empfangenen Energie in Form von schädlicher kurzwelliger Strahlung vorliegen würde:

Für einen Planeten in unserem eigenen galaktischen Zentrum wäre der Nachthimmel tatsächlich 100.000-mal heller als der der Erde! In Abbildung 12 zeichnen wir den mittleren Fluss auf der Planetenoberfläche als Funktion der Entfernung vom BH-Horizont für$a/M = 1$. Die bewohnbare Zone für einen gezeitenabhängigen Planeten ist rot markiert. Beachten Sie, dass die HZ für Planeten, die von blauverschobenem Sternenlicht bestrahlt werden, einen relativ großen Radius von haben$1.1r_g$, wo die Zeitdilatation einen mageren Faktor von 23 beträgt, aber die Schwarzkörpertemperatur eines sonnenähnlichen Sterns immer noch satte 600.000 K betragen würde. Auch hier technisch bewohnbar aus Sicht der Energiebilanz, aber herausfordernd aus photochemischer Sicht.

Es ist definitiv ein interessantes Szenario für Gedankenexperimente und Science-Fiction-Geschichten, obwohl ich vermute, dass es kein Szenario ist, das im wirklichen Leben häufig realisiert wird!

Wenn Sie ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 1 Sonne bei 1 AE umkreisen, wäre es in Bezug auf die Schwerkraft genau so, als würden wir die Sonne umkreisen. Schwerkraft ist Schwerkraft und Masse ist Masse. Die Planeten müssten nach der Entstehung des Schwarzen Lochs eingefangen oder aus entfernten Umlaufbahnen eingeflogen worden sein. Die Akkretionsscheibe würde jedoch wahrscheinlich viele Röntgenstrahlen und nicht annähernd genug sichtbares Licht aussenden, sodass das Leben auf diesem Planeten ziemlich düster wäre.