Kort nadat Einstein in 1915 zijn Theory of General Relativity publiceerde, begonnen natuurkundigen te speculeren over het bestaan van zwarte gaten. Deze gebieden van ruimte-tijd waaruit niets (zelfs geen licht) kan ontsnappen, komen van nature voor aan het einde van de levenscyclus van de meeste massieve sterren. Hoewel algemeen wordt aangenomen dat zwarte gaten vraatzuchtige eters zijn, hebben sommige natuurkundigen zich afgevraagd of ze ook hun eigen planetaire systemen zouden kunnen ondersteunen.
Om deze vraag te beantwoorden, creëerde Dr. Sean Raymond - een Amerikaanse fysicus die momenteel aan de Universiteit van Bourdeaux werkt - een hypothetisch planetair systeem waar een zwart gat in het midden ligt. Op basis van een reeks gravitatieberekeningen bepaalde hij dat een zwart gat in staat zou zijn om negen individuele zonnen in een stabiele baan eromheen te houden, die 550 planeten binnen een bewoonbare zone zou kunnen ondersteunen.
Hij noemde dit hypothetische systeem "The Black Hole Ultimate Solar System", dat bestaat uit een niet-draaiend zwart gat dat 1 miljoen keer zo groot is als de zon. Dat is ongeveer een kwart van de massa van Boogschutter A *, het super-massieve zwarte gat (SMBH) dat zich in het centrum van het Melkwegstelsel bevindt (dat 4,31 miljoen zonsmassa's bevat).
Zoals Raymond aangeeft, is een van de directe voordelen van het hebben van dit zwarte gat in het midden van een systeem dat het een groot aantal zonnen kan ondersteunen. In het belang van zijn systeem koos Raymond 9, dacht hij aan te geven dat er nog veel meer zouden kunnen worden behouden dankzij de enorme zwaartekrachtinvloed van het centrale zwarte gat. Zoals hij op zijn website schreef:
“Gezien hoe groot het zwarte gat is, kan één ring tot 75 zonnen bevatten! Maar dat zou de bewoonbare zone vrij ver naar buiten verplaatsen en ik wil niet dat het systeem te verspreid wordt. Dus ik gebruik 9 Zonnen in de ring, die alles met een factor 3 naar buiten beweegt. Laten we de ring op 0,5 AU zetten, ruim buiten de binnenste stabiele cirkelbaan (op ongeveer 0,02 AU) maar ruim binnen de bewoonbare zone (van ongeveer 2,7 tot 5,4 AU). "
Een ander groot voordeel van het hebben van een zwart gat in het midden van een systeem is dat het de zogenaamde "Hill radius" (ook bekend als "Hill sphere" of Roche sphere) verkleint. Dit is in wezen het gebied rond een planeet waar de zwaartekracht ervan overheerst boven die van de ster die hij draait en daarom satellieten kan aantrekken. Volgens Raymond zou de Heuvelradius van een planeet rond een miljoen zon zwart gat 100 keer kleiner zijn dan rond de zon.
Dit betekent dat een bepaald gebied van de ruimte stabiel 100 keer meer planeten zou kunnen passen als ze rond een zwart gat zouden draaien in plaats van de zon. Zoals hij uitlegde:
"Planeten kunnen super dicht bij elkaar liggen omdat de zwaartekracht van het zwarte gat zo sterk is! Als planeten kleine Hot Wheels-auto's zijn, zijn de meeste planetaire systemen als normale snelwegen ingedeeld (kanttekening: ik hou van Hot Wheels). Elke auto blijft op zijn eigen rijstrook, maar de auto's zijn veel kleiner dan de afstand tussen de auto's. Rond een zwart gat kunnen planetenstelsels worden teruggebracht tot sporen van Hot Wheels-formaat. De Hot Wheels-auto's - onze planeten - veranderen helemaal niet, maar ze kunnen stabiel blijven terwijl ze veel dichter bij elkaar staan. Ze raken elkaar niet (dat zou niet stabiel zijn), ze staan gewoon dichter bij elkaar. "
Hierdoor kunnen veel planeten in de bewoonbare zone van het systeem worden geplaatst. Op basis van de Hill's radius van de aarde schat Raymond dat ongeveer zes aardmassaplaneten zouden kunnen passen in stabiele banen binnen dezelfde zone rond onze zon. Dit is gebaseerd op het feit dat aardmassaplaneten ongeveer 0,1 AU van elkaar verwijderd kunnen zijn en een stabiele baan kunnen behouden.
Aangezien de bewoonbare zone van de zon ongeveer overeenkomt met de afstanden tussen Venus en Mars - die respectievelijk 0,3 en 0,5 AU verwijderd zijn - betekent dit dat er 0,8 AU aan ruimte is om mee te werken. Rond een zwart gat met 1 miljoen zonsmassa's zou de dichtstbijzijnde naburige planeet echter slechts 1/1000 kunnen zijnth (0.001) van een AU verwijderd en hebben nog steeds een stabiele baan.
Als we de wiskunde berekenen, betekent dit dat ongeveer 550 aardes in hetzelfde gebied zouden kunnen passen dat om het zwarte gat en zijn negen zonnen draait. Er is een klein nadeel aan dit hele scenario, namelijk dat het zwarte gat op zijn huidige massa zou moeten blijven. Als het groter zou worden, zou het ervoor zorgen dat de heuvelstralen van zijn 550 planeten steeds verder krimpen.
Zodra de straal van de heuvel zover was gekomen dat hij even groot was als een van de planeten van de aardmassa, begon het zwarte gat ze uit elkaar te scheuren. Maar met 1 miljoen zonsmassa's kan het zwarte gat comfortabel een enorm planetenstelsel ondersteunen. "Met ons zwarte gat met miljoenen zon zou de heuvelstraal van de aarde (in zijn huidige baan) al tot het uiterste zijn gedaald, net iets meer dan tweemaal de werkelijke straal van de aarde", zegt hij.
Ten slotte overweegt Raymond de implicaties die het leven in zo'n systeem zou hebben. Ten eerste zou een jaar op elke planeet binnen de bewoonbare zone van het systeem veel korter zijn, omdat hun omlooptijd veel sneller zou zijn. In principe zou een jaar ongeveer 1,6 dagen duren voor planeten aan de binnenrand van de bewoonbare zone en 4,6 dagen voor planeten aan de buitenrand van de bewoonbare zone.
Bovendien zou de lucht op het oppervlak van elke planeet in het systeem een stuk drukker zijn! Met zoveel planeten in een nauwe baan om elkaar heen, zouden ze heel dicht bij elkaar passeren. Dat betekent in wezen dat mensen vanaf het oppervlak van een individuele aarde in staat zouden zijn om de nabijgelegen aarde zo helder te zien als we de maan op sommige dagen zien. Zoals Raymond illustreerde:
“Bij de dichtstbijzijnde benadering (conjunctie) is de afstand tussen planeten ongeveer tweemaal de afstand van de aarde-maan. Deze planeten zijn allemaal zo groot als de aarde, ongeveer 4 keer groter dan de maan. Dit betekent dat de naaste buur van elke planeet ongeveer tweemaal zo groot is als de volle maan aan de hemel. En er zijn twee naaste buren, de binnenste en de buitenste. Bovendien zijn de dichtstbijzijnde buren twee keer zo ver weg, dus ze zijn nog steeds zo groot als de volle maan tijdens de conjunctie. En nog vier planeten die tijdens de conjunctie minstens de helft van de volle maan zouden zijn. '
Hij geeft ook aan dat conjuncties bijna één keer per baan zouden plaatsvinden, wat zou betekenen dat er om de paar dagen geen tekort zou zijn aan gigantische objecten die door de lucht passeren. En natuurlijk zouden er de zon zelf zijn. Denk aan die scène in Star Wars waar een jonge Luke Skywalker naar twee zonnen in de woestijn kijkt? Nou, het zou een beetje zo zijn, behalve veel cooler!
Volgens de berekeningen van Raymond zouden de negen zonnen elke drie uur een baan om het zwarte gat maken. Elke twintig minuten passeerde een van deze zonnen achter het zwarte gat, en deed daar slechts 49 seconden over. Op dit punt zou er zwaartekrachtlensing plaatsvinden, waarbij het zwarte gat het licht van de zon naar de planeet zou richten en de schijnbare vorm van de zon zou vervormen.
Om te illustreren hoe dit eruit zou zien, biedt hij een animatie (hierboven weergegeven) gemaakt door @GregroxMun - een planeetmodeller die ruimtegrafieken ontwikkelt voor Kerbal en andere programma's - met behulp van Space Engine.
Hoewel een dergelijk systeem misschien nooit in de natuur voorkomt, is het interessant om te weten dat een dergelijk systeem fysiek mogelijk zou zijn. En wie weet? Misschien zou een voldoende geavanceerde soort, met het vermogen om sterren en planeten uit één systeem te slepen en ze in een baan rond een zwart gat te plaatsen, dit Ultieme Zonnestelsel kunnen vormen. Iets waar SETI-onderzoekers misschien naar uitkijken?
Deze hypothetische oefening was het tweede deel in een tweedelige serie van Raymond, getiteld "Zwarte gaten en planeten". In de eerste aflevering, "The Black Hole Solar System", overwoog Raymond hoe het zou zijn als ons systeem om een zwart gat-zonnebinair systeem zou draaien. Zoals hij aangaf, zouden de gevolgen voor de aarde en de andere zonneplaneten op zijn zachtst gezegd interessant zijn!
Raymond heeft onlangs ook het ultieme zonnestelsel uitgebreid door het Million Earth Solar System voor te stellen. Bekijk ze allemaal op zijn website, PlanetPlanet.net.
