Вместо солнца – черная дыра

Если бы у черной дыры были планеты – как в фильме «Интерстеллар» (2014), – они были бы самым негостеприимным местом во всей Вселенной. Холодные и безжизненные пустыни – вот и весь их ландшафт.

Но так ли это? Оказывается, в термодинамике есть странное свойство обратимости, благодаря которому на таких планетах в принципе может поддерживаться жизнь.

Согласно второму закону термодинамики, для поддержания жизни требуется разность температур, чтобы обеспечить источник пригодной для использования энергии. Жизнь на Земле существует благодаря разнице между температурами Солнца и холодного космического вакуума. А что если Солнце и небо поменять местами? Солнце станет холодным, а небо горячим?

Некоторые черные дыры являются одними из самых ярких объектов во Вселенной, активно излучая не только в видимом свете, но часто и в радио-, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Это происходит, потому что при аккреции (падении на черную дыру) газ и другие вещества нагреваются и начинают светиться. Как показал Томаш Опатрны из Университета Палацкого в Оломоуце (Чешская республика), температура у насыщенной черной дыры фактически нулевая, а значит, она потенциально может играть роль холодного солнца.

Остальная часть неба имеет температуру 2,7 К (около –270 °C). Именно такова температура космического микроволнового фона (КМФ) – остаточного тепла, сохранившегося со времени Большого взрыва. Согласно вычислениям группы Опатрны, проведенным в 2015 году, планета размером с Землю, вращающаяся вокруг черной дыры размером с Солнце, может извлечь из этой разницы температур около 900 ватт пригодной для использования энергии. Это немного, но в принципе достаточно для поддержания жизни.

Для иллюстрации своих идей ученые обратились к фильму «Интерстеллар», в котором речь идет о массивной вращающейся черной дыре под названием Гаргантюа. По орбите, расположенной очень близко к этой черной дыре, двигается планета Миллер. Общая теория относительности подразумевает, что гравитационное притяжение черной дыры замедляет время на планете, так что один час равен семи годам вне этой планеты, то есть время на ней течет медленнее примерно в 60 000 раз.

Энергия кванта излучения пропорциональна его частоте. Когда фотон из КМФ приходит на планету Миллер, его частота увеличивается на фактор замедления времени, то есть энергия возрастает. При коэффициенте замедления времени около 60 000 планета Миллер будет нагреваться почти до 900 °C.

В фильме вода в океане образует огромные приливные волны, но Опатрны утверждает, что более вероятен расплавленный алюминий. Немного дальше от черной дыры условия на планете были бы более прохладными – эффекты замедления времени были бы меньше – и планета была бы более гостеприимной для жизни.

Другие исследователи считают, что в реальности это маловероятно. Даже если на орбите вблизи от черной дыры могут образовываться планеты, существует вероятность, что часть вещества упадет в дыру и излучит тепло.

Какая черная дыра ближе всего к Земле?

Ближайший известный кандидат в черные дыры находится в рентгеновской двойной системе V616 Единорога, где, согласно наблюдениям, по орбите вокруг оранжевой звезды вращается черная дыра с массой в семь солнечных. От нас до нее около 3000 световых лет. Но в нашей Галактике, вероятно, скрываются еще миллионы необнаруженных черных дыр, поэтому некоторые из них будут к нам намного ближе.

7

Триллион планет

В нашей Галактике полным-полно планет. Тысячи уже открытых планет удивительно разнообразны: вечная жара на гигантских планетах, холод в скалистых мирах. Некоторые из них, возможно, обитаемы. Но все, без сомнения, уникальны. Что ждет нас среди многих миллиардов планет, которые еще предстоит обнаружить, и можем ли мы надеяться найти там инопланетную жизнь?

Инопланетный зоопарк

До 1995 года планеты в нашей Солнечной системе были единственными, о существовании которых мы знали наверняка. Затем аспирант Дидье Келоз из Женевского университета обнаружил первую планету, вращающуюся вокруг чужой звезды, и вскоре планеты посыпались как из рога изобилия. Теперь, когда открыто более 3500 экзопланет (а будет еще больше), мы обнаружили огромное разнообразие иных миров.

Поиск жизни за пределами Земли всегда был главным приоритетом для человечества. Для существования жизни в том виде, в котором мы ее знаем, нужны свет, вода, мягкие температуры и умеренная гравитация, поэтому скалистые, похожие на Землю планеты вызывают отдельный интерес. Особенно если эти экзопланеты находятся в зоне Златовласки, где температура как раз подходит для поддержания воды в жидком состоянии.

Ярким примером является планетная система TRAPPIST-1. Всего на расстоянии 40 световых лет от Солнца по близким друг к другу орбитам вращаются семь планет умеренных размеров (типа Земли). У каждой из них – свои физические параметры и свои варианты атмосфер, океанов и возможных форм жизни. В принципе, такие системы из небольших планет, чьи характеристики как бы повторяют друг друга, но на новом уровне, как матрешки, могут быть достаточно распространены в нашей Галактике, и, возможно, лучше всего подходят для поиска внеземной жизни. Благодаря близости своих орбит и взаимному гравитационному влиянию они вошли в определенную гармонию друг с другом. На каждые восемь оборотов самой внутренней планеты TRAPPIST-1 вокруг центральной звезды приходится пять оборотов второй планеты, три оборота третьей планеты и два оборота четвертой планеты. Такой компактный часовой механизм, сцепленный гравитационными «шестеренками», мог бы даже способствовать распространению жизни между мирами.

Между тем, экзопланету LHS 1140 b у звезды LHS 1140 сейчас активно рассматривают как самое оптимальное место для поиска признаков жизни за пределами Солнечной системы. Диаметр этой суперземли превосходит земной в 1,4 раза, а масса – в 6,6 раза. Несмотря на близость своей орбиты к центральной звезде – в ее «году» 25 дней – планета получает примерно вдвое меньше света, чем Земля, потому что звезда прохладная. Скорее всего, температура на планете невысока, а значит вполне вероятно, что на ней есть вода в жидком состоянии. Звезда LHS 1140 – красный карлик, а звезды этого типа имеют склонность вспыхивать. Вспышки могут нанести ущерб вероятной жизни на близлежащих планетах, но LHS 1140 – необычайно спокойная звезда, поэтому риски для ее планеты не так уж велики. LHS 1140 b находится на расстоянии всего в 40 световых лет от Солнца, это одна из самых близких потенциально обитаемых экзопланет среди найденных к настоящему времени. В принципе, мы можем наблюдать затмения звезды LHS 1140 этой экзопланетой, если при ее движении по орбите она будет проходить между нами и звездой – великолепная возможность поискать у экзопланеты атмосферу. Ведь атмосфера будет искажать звездный свет в момент транзита, и можно будет найти признаки жизни, если они в этой атмосфере присутствуют.

Ближайшая к нам твердая планета Проксима b удалена от нас на 4,2 светового года. Точных оценок ее размера не существует, но вероятно, она немного больше Земли. Находясь недалеко от красного карлика Проксима Центавра, эта планета получает большие дозы рентгеновского излучения, и на нее изливается мощный звездный ветер. Это, конечно, не лучший вариант для существования жизни. В Проксиме b привлекает то, что она находится практически по соседству с нами – и мы можем поискать на ней атмосферу и признаки жизни, а однажды даже отправить туда межзвездный зонд.