Вопрос о том, может ли планета существовать вблизи черной дыры, долгое время оставался скорее областью научной фантастики, чем серьезной астрофизики. Однако современные исследования показывают: при определенных условиях такой сценарий не только возможен, но и может дать начало одним из самых экзотических миров во Вселенной. Главное, это понять, о какой именно черной дыре и о каком расстоянии идет речь.
Начнем с основной проблемы: гравитационное поле черной дыры на небольшом удалении от горизонта событий настолько мощно, что разрывает любые объекты приливными силами. Это явление, называемое приливным разрушением, не оставляет шансов ни каменному объекту, ни газовому облаку. Однако если говорить о сверхмассивной черной дыре, например, той, что находится в центре нашей Галактики (Стрелец А* с массой около 4 миллионов солнечных), ситуация меняется.
Чтобы планета Земля была разорвана приливными силами у такой черной дыры, ей пришлось бы подойти к горизонту событий ближе, чем на один миллион километров. Для сравнения, гравитационный радиус (горизонт событий) Стрельца А* составляет примерно 12 миллионов километров — это около 17 радиусов Солнца. Таким образом, приливные силы сами по себе не препятствуют существованию планеты вблизи такой черной дыры. Однако для невращающейся черной дыры устойчивые орбиты начинаются примерно с 36 миллионов километров от центра (трех радиусов Шварцшильда). У быстро вращающихся черных дыр этот предел может быть значительно меньше.
Чем массивнее черная дыра, тем более плавно меняется гравитация на ее периферии. Теоретически, планета могла бы вращаться по стабильной орбите на расстоянии нескольких гравитационных радиусов от такой дыры, оставаясь не разорванной.
Но возникает вторая проблема: условия формирования. Обычные планеты рождаются из протопланетных дисков вокруг молодых звезд. В непосредственной близости от черной дыры нет источников света и тепла в привычном смысле. Зато есть аккреционный диск — перегретое вещество, падающее на дыру и разогнанное до чудовищных скоростей. В таком диске могут формироваться структуры, напоминающие протопланеты. Более того, если черная дыра обладает достаточно массивным и холодным диском, в нем возможна гравитационная неустойчивость, способная породить сгустки размером с планету-гигант.
Например, в диске вокруг сверхмассивной дыры массой в 100 миллионов солнечных масс область формирования планет могла бы находиться на расстоянии около 1 светового года от центра, где температура газа падает до десятков кельвинов, а плотности достаточно для запуска гравитационной неустойчивости. Также не исключен сценарий захвата: готовая планета, скитающаяся в межзвездном пространстве, может быть притянута черной дырой и выйти на устойчивую орбиту, если ее скорость и направление движения окажутся подходящими. Такой захват редкое событие, но возможное.
Теперь самое удивительное: если планета существует, жизнь на ней (даже гипотетическая) протекала бы совершенно иначе из-за эффектов общей теории относительности. Замедление времени в сильном гравитационном поле черной дыры достигло бы значительных величин.
Для наглядности представим планету, вращающуюся по круговой орбите вокруг черной дыры массой 10 миллионов солнечных масс вблизи последней устойчивой круговой орбиты. В этом случае для удаленного наблюдателя время на планете могло бы течь примерно на 30–40% медленнее, чем вдали от черной дыры.
Для наблюдателя с такой планеты время текло бы гораздо медленнее, чем для удаленного космического корабля. При этом степень замедления определяется прежде всего расстоянием до черной дыры, выраженным в гравитационных радиусах, а не ее массой. Масса влияет главным образом на величину приливных сил и реальные размеры орбит. Например, у дыры массой в 4 миллиона солнечных (как в центре Млечного Пути) на расстоянии трех радиусов Шварцшильда (около 36 миллионов километров) время замедляется примерно на 20 процентов: одна секунда на планете равна 1,25 секунды вдали от дыры. Однако это не означает, что обитатели такой планеты ощущали бы что-то необычное: для них течение времени всегда нормально. Аномалия проявилась бы лишь при сравнении с внешними часами.
Но есть и менее экзотические последствия проживания у черной дыры. Мощное излучение аккреционного диска в рентгеновском и гамма-диапазонах сделало бы поверхность планеты стерильной, если бы не одно но: планета может находиться в так называемой тени диска или вращаться на достаточном удалении, где поток жесткого излучения ослабевает. Кроме того, само существование стабильной круговой орбиты имеет предел.
Для невращающейся черной дыры последняя устойчивая круговая орбита находится на расстоянии трех радиусов Шварцшильда от центра черной дыры. Для черной дыры с массой, равной массе Солнца, это всего 9 километров от центра объекта (при радиусе горизонта событий около 3 километров) — любое тело внутри этой сферы неизбежно «упадет» в дыру. Для сверхмассивной черной дыры массой в 100 миллионов солнечных масс этот радиус составит уже около 900 миллионов километров, что сравнимо с орбитой Юпитера. Так что у гипотетической планеты всегда есть минимально допустимый радиус орбиты, зависящий от массы центрального объекта.
На сегодняшний день астрономы не обнаружили ни одного достоверного подтверждения существования планеты у черной дыры. Тем не менее современные модели формирования объектов в аккреционных дисках активных галактических ядер допускают образование не только звезд, но и массивных планетоподобных тел.
Более того, в аккреционных дисках некоторых активных галактических ядер теоретически предсказано формирование «звезд» и «планет» из плотного газа. Например, расчеты показывают, что в диске вокруг сверхмассивной дыры массой 10 миллиардов солнечных, в зоне на расстоянии 0,1 парсека от центра, могут образовываться газовые гиганты массой до нескольких юпитеров за несколько миллионов лет. Так что, хотя мы не можем утверждать, что такая планета точно существует, современная физика не находит непреодолимых запретов для ее появления.
В итоге, планета возле черной дыры это не абсурд, а вызов для наших представлений о космических условиях. Она могла бы быть темным миром с замедленным временем, разогретым не солнечным светом, а трением и излучением окружающей бездны. И если когда-нибудь человечество научится заглядывать в такие области пространства, возможно, мы обнаружим, что Вселенная населена гораздо более странными мирами, чем мы могли себе представить.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
