Разветвления звездной системы черных дыр

Для тех, кто не видел:

Некоторые люди-исследователи приземляются на планете, вращающейся вокруг черной дыры. Черная дыра окружена большим аккреционным диском. Планета вращается на таком расстоянии, что любое приближение к черной дыре будет означать, что ваши шансы выбраться невелики; он также состоит из воды. Наконец, замедление времени из-за черной дыры означает, что, хотя персонажи проводят около двух часов на планете, для их коллеги на борту проходит около десяти лет.

Основной ответ заключается в том, что планета может вращаться вокруг черной дыры. Существуют стабильные орбиты вокруг черной дыры, как и стабильные орбиты вокруг любого небесного тела. Есть проблема: черная дыра обычно образуется в результате взрыва сверхновой. Это выбросит большинство близлежащих планет из звездной системы. С другой стороны, маловероятно, что планета может быть захвачена черной дырой и находиться на стабильной орбите, поэтому вся предпосылка — хотя и возможна — крайне маловероятна. Опять же, маловероятно, что планета будет сделана из воды, рядом с Юпитером откроется червоточина или Мэтью МакКонахи снимется в приличном научно-фантастическом фильме, так почему что-то еще в этой истории должно быть нормальным?

Однако вы не можете просто поместить планету где-нибудь рядом с черной дырой, дать ей достаточно сильный толчок и надеяться, что она вращается вокруг своей орбиты. Самая внутренняя орбита находится на границе фотонной сферы . На этой сфере могут вращаться только фотоны. Внутри него ничто не может вращаться. Однако единственная стабильная орбита находится в два раза дальше, на$2r_p$.

Радиус сферы

Предположим, что объект не вращается (я точно не помню, вращается он или нет, но в этой демонстрации проще сказать, что это не так). Формула гравитационного замедления времени :

Изменения после редактирования вопроса:

Это не могла быть сверхмассивная черная дыра ; они формируются в центре галактик. Это могла быть черная дыра звездной массы , хотя черная дыра промежуточной массы также вероятна — если не более вероятно, если подчеркнуть массивность.

Существование нейтронной звезды интересно. Если бы черная дыра была средней массы, я бы ожидал, что она уже поглотила бы нейтронную звезду — и планеты тоже. Так что могу поспорить, что черная дыра — это черная дыра с массой чуть более массивной, чем средняя звездная масса. Я очень сомневаюсь, что несколько планет могут вращаться вокруг черной дыры — по причине, которую я указал выше; сверхновая уничтожила бы их или выбросила из системы.

Будет ли какая-либо из планет пригодной для жизни? Я сомневаюсь в этом. Аккреционный диск может нагреться достаточно, чтобы обеспечить некоторое количество света, но, вероятно, его будет немного. Я напишу расчеты либо позже сегодня, либо, возможно, завтра, так как я немного запутался после написания тяжелого математического ответа на построение мира, чтобы найти светимость, но я подозреваю, что это будет незначительно - как и излучение Хокинга. , на тот случай, если какой-нибудь умник планировал поднять этот вопрос.

Одним из последствий близости к черной дыре, как планета Миллера в фильме, является то, что космическое фоновое излучение будет иметь синее смещение и будет вносить значительный вклад в поддержание тепла на планете. В своей статье « Жизнь под черным солнцем » Томаш Опартны, Лукаш Рихтерек и Павел Бакала подсчитали, что планета Миллера будет некомфортно горячей:

Плохая новость для астронавтов посещения состоит в том, что это слишком много энергии: плотность входящего потока (мощность на единицу площади, перпендикулярную входящему излучению)$\Phi \approx 420\ \rm kW/m^2$, т. е. примерно в 300 раз больше солнечной постоянной. Это значение можно использовать для нахождения равновесной температуры планеты, излучающей свою энергию как черное тело,$T = \sqrt[4]{\Phi/(4\sigma)} \approx 890 \rm ^{\circ}C$. Таким образом, наблюдаемые на планете приливные волны могут состоять, например, из расплавленного алюминия. Более того, астронавты будут поджарены экстремальным ультрафиолетовым излучением.

В последующей статье « Обитаемые зоны вокруг почти чрезвычайно вращающихся черных дыр (повторное посещение черного солнца) », написанной Павлом Бакалой, Яном Дочекалом и Зузаной Туроновой, этот сценарий исследуется и определяется, что черные дыры с массами, превышающими 1,63×10 ⁸ масс Солнца, должны иметь их обитаемые зоны (исключительно из-за фонового излучения с синим смещением) за пределами радиуса приливного разрушения для планеты, похожей на Землю. Они отмечают, что на такой планете основная часть излучения приходилась бы на ультрафиолетовую часть спектра, но некоторый поток в видимой и инфракрасной областях все же был бы. Они также оценили временной масштаб орбитального распада планеты из-за гравитационного излучения, оценив, что временной масштаб пересечения обитаемой зоны составляет ~10 ¹⁰ лет.

Сценарий, включающий аккреционный диск, исследуется в книге Джереми Д. Шнитмана « Жизнь на планете Миллера: обитаемая зона вокруг сверхмассивных черных дыр ». Неудивительно, что добавление дополнительного излучения от аккреционного диска еще больше ухудшает условия на планете Миллера.

Температура [аккреционного диска] зависит от массы черной дыры и скорости аккреции, как

$$T_{\rm peak} \approx 2 \times 10^5 \left( \frac{M}{10^8\ M_\odot} \right)^{-1/2} \left( \frac{\dot{M}}{0.1 \dot{M}_{\rm Edd}} \right)^{1/4} \rm K$$ Поэтому, если мы хотим, чтобы аккреционный диск больше походил на звезду главной последовательности (действительно, визуализация аккреционного диска Гаргантюа имеет цвет, очень похожий на цвет нашего собственного Солнца), нам нужно уменьшить скорость аккреции в миллион раз. . Но даже после этого планета Миллера, вращающаяся сразу за горизонтом, будет полностью окружена радиационным полем абсолютно черного тела с температурой 6000 градусов: вряд ли она пригодна для жизни!

Изображенный в фильме сценарий, когда планета находится за пределами аккреционного диска, не кажется слишком вероятным.

Шнитман также поднимает вопрос о том, что сверхмассивная черная дыра в галактическом ядре будет окружена звездами, и они также будут иметь синее смещение. Видимая температура солнцеподобных звезд будет чрезвычайно высокой, а это означает, что основная часть получаемой энергии будет в виде разрушительного коротковолнового излучения:

Для планеты в нашем собственном галактическом центре ночное небо на самом деле было бы в 100 000 раз ярче, чем небо Земли! На рисунке 12 мы наносим средний поток на поверхность планеты как функцию расстояния от горизонта ЧД для$a/M = 1$. Пригодная для жизни зона планеты, заблокированной приливом, отмечена красным. Обратите внимание, что ГП для планет, облучаемых звездным светом с голубым смещением, находится на относительно большом радиусе$1.1r_g$, где замедление времени составляет ничтожный коэффициент 23, но температура черного тела солнцеподобной звезды по-прежнему составляет колоссальные 600 000 К. Опять же, технически обитаемый с точки зрения энергетического баланса, но сложный с фотохимической точки зрения.

Это определенно интересный сценарий для мысленных экспериментов и научно-фантастических историй, хотя я подозреваю, что это не тот сценарий, который будет часто реализовываться в реальной жизни!

Если вы вращаетесь вокруг черной дыры массой 1 Солнце на расстоянии 1 а.е., с точки зрения гравитации это будет точно так же, как для нас, вращающихся вокруг Солнца. Гравитация есть гравитация, а масса есть масса. Планеты должны были быть захвачены после образования черной дыры или перемещены с далеких орбит. Однако аккреционный диск, скорее всего, будет излучать много рентгеновского излучения и недостаточно видимого света, поэтому жизнь на этой планете будет довольно мрачной.