ดาวเคราะห์จำนวนมากที่อาศัยอยู่ได้ในทางทฤษฎีอาจมีอยู่ในวงโคจรที่เสถียรรอบ ๆ หลุมดำมวลมหาศาลเช่น Gargantua จากภาพยนตร์เรื่อง "Interstellar" ในปี 2014
(ภาพ: ©รูปภาพยิ่งใหญ่)
หลุมดำน่าจะมีดาวเคราะห์ 1 ล้านดวงที่โคจรอยู่ใกล้มันที่อาจช่วยชีวิตได้ดังที่เรารู้
เนื่องจากมีสิ่งมีชีวิตแทบทุกหนทุกแห่งที่มีน้ำของเหลวอยู่บนโลกนักดาราศาสตร์มักจะตัดสินโลกว่าอาจอาศัยอยู่ได้ถ้ามันโคจรอยู่ภายในเขตที่น้ำของเหลวสามารถอยู่รอดบนพื้นผิว "โซนที่เอื้ออาศัยได้" ของดวงอาทิตย์ของเรามีดาวเคราะห์เพียงดวงเดียว (โลก) แต่เรื่องราวอาจแตกต่างกันไปสำหรับดาวดวงอื่น ตัวอย่างเช่นระบบ TRAPPIST-1 มีดาวเคราะห์ขนาดโลกสามดวงภายในเขตเอื้ออาศัยได้
ฌอนเรย์มอนด์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่หอดูดาวบอร์โดในฝรั่งเศสทำการวิจัยว่าระบบดาวเคราะห์ก่อตัวและวิวัฒนาการอย่างไร ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของคอลัมน์เรย์มอนด์เขียนว่า "การสร้างสุดยอดระบบสุริยะ" เขาออกเดินทางเพื่อดูว่าดาวเคราะห์สามารถโคจรรอบหลุมดำได้กี่ดวง [หลุมดำที่แปลกประหลาดที่สุดในอวกาศ]
"ฉันคิดว่าเราสามารถเรียนรู้จากสุดขั้ว ... พวกมันเป็นขอบเขตของกล่องที่เรากำลังค้นหา" Raymond กล่าวกับ Space.com "ระบบนี้เป็นระบบที่ยอดเยี่ยมมาก - เป็นจินตนาการที่อัดแน่นที่สุดมันเป็นการผสมผสานระหว่างความสนุกกับจินตนาการและวิทยาศาสตร์"
ปัจจุบันมีหลุมดำสองประเภทที่นักวิทยาศาสตร์รู้ดีที่สุดเรย์มอนด์กล่าว หลุมดำมวลดาวฤกษ์มีมวลเท่ากันกับดวงอาทิตย์เพียงไม่กี่ดวงและก่อตัวเมื่อดาวยักษ์ตายและยุบตัว หลุมดำมวลมหาศาลนั้นมีมวลนับล้านถึงพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์และคาดว่าจะมีอยู่ในหัวใจของกาแลคซีขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ถ้าไม่ใช่ทั้งหมด (หลุมดำมวลปานกลางระดับสามเข้าใจได้ไม่ดี)
หลุมดำนั้นกะทัดรัดมาก หลุมดำที่มีมวลดวงอาทิตย์จะกว้างเพียง 3.7 ไมล์ (6 กิโลเมตร) ในการเปรียบเทียบ Sagittarius A * หลุมดำมวลมหาศาลที่คิดว่าจะแฝงตัวอยู่ในใจกลางทางช้างเผือกมีมวลประมาณ 4 ล้านดวงอาทิตย์และเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 14.7 ล้านไมล์ (23.6 ล้านกิโลเมตร) หรือมากกว่า 40 เล็กน้อย ร้อยละขนาดของวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์
เกิดอะไรขึ้นถ้าดวงอาทิตย์มีสหายหลุมดำ?
คำถามทั่วไปในชั้นเรียนฟิสิกส์คือการจินตนาการว่าอะไรจะเปลี่ยนแปลงหากดวงอาทิตย์ถูกแทนที่ด้วยหลุมดำที่มีมวลเท่ากันเรย์มอนด์กล่าว คำตอบก็คือจะไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงเกี่ยวกับวงโคจรของดาวเคราะห์ถ้าหลุมดำมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์วงโคจรจะคงเดิม (ชีวิตบนโลกใบนี้จะต้องทนทุกข์ทรมานจากการขาดแสงและความร้อนในสถานการณ์ดังกล่าวเรย์มอนด์กล่าวเสริม)
ถ้าดวงอาทิตย์มีหลุมดำมวลเท่ากันซึ่งอยู่ใกล้กับมัน - หนึ่งในสิบของหน่วยดาราศาสตร์ (AU) - วงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะจะไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเรย์มอนด์ตั้งข้อสังเกต (หนึ่ง AU คือระยะทางโลก - ประมาณ 93 ล้านไมล์หรือ 150 ล้านกม.)
ถึงกระนั้นสมมติว่าดาวเคราะห์เหล่านี้รักษาระยะห่างจากดวงอาทิตย์เหมือนตอนนี้แรงดึงดูดของดวงอาทิตย์และหลุมดำของมันจะนำพาโลกเหล่านี้ให้โคจรเร็วขึ้นโดยที่ปีของโลกลดลงจาก 365 วันเป็น 258 วันเขาพูด
ในสถานการณ์ข้างต้นดวงอาทิตย์และหลุมดำจะโคจรรอบกันและกันด้วยทุก ๆ 2.9 วัน ซึ่งหมายความว่าปริมาณพลังงานที่โลกจะได้รับจากดวงอาทิตย์จะผันผวนระหว่าง 90 ถึง 110 เปอร์เซ็นต์ของค่าเฉลี่ยเมื่อดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ห่างจากโลกมากขึ้นหรือใกล้กับโลกมากขึ้น
“ นั่นเป็นเหมือนการตีกลับระหว่างนิวยอร์กและไมอามี่และย้อนกลับไปทุก ๆ 2.9 วัน” เรย์มอนด์กล่าว [คำถามหลุมดำ: คุณรู้จักการสร้างที่แปลกประหลาดที่สุดของธรรมชาติได้ดีแค่ไหน?]
เกิดอะไรขึ้นถ้าหลุมดำมวลยวดยิ่งมีวงแหวนของดาวเคราะห์
นอกเหนือจากการจินตนาการถึงชีวิตรอบ ๆ หลุมดำมวลดาวฤกษ์เรย์มอนด์ยังคำนวณว่าดาวเคราะห์ที่น่าอยู่จำนวนมากนั้นน่าจะพอดีกับหลุมดำมวลมหาศาล 1 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ "มันเกือบจะใหญ่เท่ากับหนึ่งในใจกลางของทางช้างเผือก" เขากล่าว มันจะเกี่ยวกับเส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์เท่านั้น
รอบดวงอาทิตย์วงโคจรที่ดาวเคราะห์เดินทางสามารถเข้ามาใกล้กันก่อนที่ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของพวกเขาจะกระทบกับดวงอาทิตย์จนนำไปสู่วงโคจรที่ไม่เสถียร เรย์มอนด์ตั้งข้อสังเกตว่าดาวเคราะห์มวลโลกประมาณหกดวงสามารถอยู่ในวงโคจรศูนย์กลางที่เสถียรในเขตที่อยู่อาศัยของดวงอาทิตย์
ในทางตรงกันข้ามแรงดึงโน้มถ่วงของหลุมดำมวลมหาศาลนั้นมีความแข็งแรงมากพอที่จะเอาชนะดาวเคราะห์เหล่านั้นได้อย่างง่ายดาย หากดวงอาทิตย์ถูกแทนที่ด้วยหลุมดำมวลหนึ่งล้านดวงอาทิตย์ดาวเคราะห์มวลโลก 550 ดวงสามารถพอดีกับวงโคจรศูนย์กลางที่มั่นคงในเขตเอื้ออาศัยได้เรย์มอนด์คำนวณ
แรงโน้มถ่วงของหลุมดำมวลมหาศาลจะดึงแรงขึ้นที่ด้านข้างของดาวเคราะห์แต่ละดวงใกล้กับหลุมดำมากขึ้น สิ่งนี้จะยืดดาวเคราะห์ที่อยู่อาศัยออกได้แม้ว่าพวกเขาจะไม่ได้อยู่ใกล้พอที่จะแยกออกจากกันเรย์มอนด์กล่าว
วิธีหนึ่งในการสร้างเขตเอื้ออาศัยรอบ ๆ หลุมดำมวลมหาศาลนี้คือการวางดาวไว้ระหว่างมันกับดาวเคราะห์ วงแหวนของดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์เก้าดวงที่ 0.5 AU จากหลุมดำที่มีดวงอาทิตย์นับล้านดวงจะทำให้ดาวเคราะห์มวลโลกจำนวน 550 ดวงในเหตุการณ์ข้างต้นน่าอยู่อาศัยเรย์มอนด์กล่าว
"มันน่าสนใจทีเดียวที่ได้อยู่บนดาวเคราะห์ดวงนี้ในระบบนี้" เรย์มอนด์กล่าว "ใช้เวลาเพียงไม่กี่วันในการโคจรรอบหลุมดำให้เสร็จประมาณ 1.6 วันที่ขอบด้านในของเขตที่อยู่อาศัยและ 4.6 วันที่ขอบด้านนอก" [10 ดาวเคราะห์นอกระบบที่สามารถเป็นเจ้าภาพชีวิตคนต่างด้าว]
เมื่อเข้าใกล้หรือใกล้ที่สุดระหว่างดาวเคราะห์ทั้งสองระยะทางระหว่างโลกเหล่านี้จะเป็น "ระยะทางจากโลก - ดวงจันทร์ประมาณสองเท่า" เรย์มอนด์ตั้งข้อสังเกต เมื่อรวมกันเพื่อนบ้านที่อยู่ใกล้ที่สุดของดาวเคราะห์แต่ละดวงจะปรากฏขนาดประมาณสองเท่าของดวงจันทร์เต็มดวงในท้องฟ้า
นอกจากนี้เพื่อนบ้านที่อยู่ใกล้ที่สุดคนต่อไปจะอยู่ไกลออกไปสองเท่าและจะปรากฏว่าใหญ่เท่าพระจันทร์เต็มดวงในระหว่างการรวมกัน Raymond กล่าว ดาวเคราะห์อีกสี่ดวงจะมีขนาดอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของดวงจันทร์เต็มดวงในระหว่างการรวมกัน "คำสันธานเกิดขึ้นน้อยกว่าหนึ่งครั้งต่อหนึ่งวงโคจรดังนั้นทุกสองสามวันจะมีวัตถุขนาดยักษ์จำนวนหนึ่งไหลผ่านท้องฟ้า" เขากล่าว
เก้าดวงอาทิตย์ "ก็จะเป็นภาพที่เห็น" เรย์มอนด์กล่าว แต่ละวงโคจรรอบหลุมดำทุก ๆ 3 ชั่วโมง
“ นั่นหมายความว่าทุก ๆ 20 นาทีดวงอาทิตย์ดวงหนึ่งจะผ่านไปทางด้านหลังหลุมดำ” เรย์มอนด์กล่าว "เมื่อดวงอาทิตย์ผ่านด้านหลังหลุมดำแรงโน้มถ่วงของหลุมดำจะโค้งงอแสงและสามารถทำหน้าที่เป็นเลนส์ได้มันจะโฟกัสแสงของดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์ซึ่งจะทำให้รูปร่างของดวงอาทิตย์กลายเป็นวงแหวน ... แสงที่อ่อนหวาน แสดง."
นอกจากนี้แสงดาวจะถูกยืดออกโดยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้หลุมดำมากขึ้นจะปรากฏเป็นสีแดงและดาวที่อยู่ไกลออกไปจากหลุมดำก็จะปรากฏเป็นสีฟ้ามากขึ้นเรย์มอนด์กล่าว
ดาวเคราะห์นับล้านรอบหลุมดำ
ในสถานการณ์ก่อนหน้านี้ดาวเคราะห์แต่ละดวงอยู่ในวงโคจรรอบ ๆ หลุมดำมวลมหาศาล เรย์มอนด์ยังเป็นต้นแบบว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าดาวเคราะห์หลายดวงโคจรรอบหลุมดำที่มีดวงอาทิตย์เป็นล้านดวง ก่อนหน้านี้เรย์มอนด์คำนวณว่าดาวเคราะห์มวลโลก 42 ดวงสามารถโคจรในวงแหวน 1 AU จากดวงอาทิตย์
การมีวงแหวนของดาวเคราะห์ที่เสถียรเรย์มอนด์ตั้งข้อสังเกตว่าดาวเคราะห์ในวงแหวนนั้นจะต้องมีมวลเท่ากัน จะต้องมีดาวเคราะห์อย่างน้อยเจ็ดดวงในวงแหวนดังกล่าวและจะต้องเว้นระยะเท่ากันตามวงโคจรเป็นวงกลม
เรย์มอนด์คำนวณว่าดาวเคราะห์ดำจำนวนล้านดวงที่มีวงโคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์เก้าดวงคำนวณว่าดาวเคราะห์มวลโลกจำนวนหนึ่งล้านดวงสามารถโคจรภายในเขตเอื้ออาศัยได้ในวง 400 ดวงแต่ละดวงมีดาวเคราะห์ 2,500 ดวงที่อยู่ห่างกันประมาณระยะทางเดียวกัน ระหว่างโลกกับดวงจันทร์ ในสถานการณ์นี้ดาวเคราะห์จะใช้เวลาอีกครั้งจาก 1.6 ถึง 4.6 วันเพื่อทำการโคจรให้เสร็จ [หลุมดำที่แปลกประหลาดที่สุดในจักรวาล]
แทนที่จะวางดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์เก้าดวงระหว่างหลุมดำและดาวเคราะห์เรย์มอนด์ก็แนะนำให้เราวางดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ 36 ดวงในวงแหวนกว้าง 6 AU ในสถานการณ์นี้ "ดาวเคราะห์แต่ละดวงถูกแสงอาทิตย์ส่องจากทุกทิศทุกทาง - ดาวเคราะห์ไม่มีด้านกลางคืน" เรย์มอนด์กล่าว "มันเหมือนกับ Kalgash ดาวเคราะห์ในเวลากลางวันของ Asimov"
“ คุณจะไม่รู้สึกโดดเดี่ยวในระบบเหล่านี้ - ดาวเคราะห์ดวงอื่นจะมีขนาดใหญ่บนท้องฟ้า” เรย์มอนด์กล่าวเสริม ดาวเคราะห์ใกล้เคียงน่าจะใกล้กว่าดวงจันทร์ประมาณ 10 เท่าซึ่งหมายความว่าพวกมันจะปรากฏขึ้นบนท้องฟ้ามากกว่าดวงจันทร์เต็มประมาณ 40 เท่า "นั่นเป็นเรื่องของขนาดของคอมพิวเตอร์แล็ปท็อปที่จับได้แค่เอื้อมมือบนท้องฟ้าเท่านั้น"
ในฉากหลังนี้ดาวเคราะห์จะเข้าใกล้หลุมดำมากขึ้นโดยแต่ละวงโคจรเสร็จในเวลาประมาณ 9 ชั่วโมง ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะโคจรด้วยความเร็วพิเศษ - ประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง ตามทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์เวลาจะปรากฏขึ้นอย่างเห็นได้ชัดช้ากว่าคนใกล้เข้ามาถึงความเร็วแสงดังนั้น "เด็กสองคนที่เกิดในช่วงเวลาเดียวกันบนวงแหวนที่แตกต่างกันจะมีอายุในอัตราที่แตกต่างกันเล็กน้อย" "ทารกที่อยู่ในวงแหวนด้านในจะมีอายุช้ากว่าเล็กน้อย"
ความแตกต่างของความเร็วระหว่างวงแหวนจะดีมากพอที่จะทำให้ยานอวกาศไม่สามารถเดินทางจากวงแหวนหนึ่งไปยังอีกวงแหวนหนึ่งด้วยเทคโนโลยีใด ๆ ในปัจจุบัน Raymond กล่าว อย่างไรก็ตามแต่ละโลกจะแบ่งปันวงแหวนกับอีกหลายพันดวงและความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างดาวเคราะห์ใกล้เคียงน่าจะเกือบเป็นศูนย์ “ ลิฟต์อวกาศสามารถเชื่อมต่อดาวเคราะห์ได้” เรย์มอนด์กล่าว
หากแต่ละดาวเคราะห์ใกล้เคียงตามวงแหวนที่กำหนดมีการเชื่อมต่อมันจะมีลักษณะคล้ายกับ "Ringworld" ซึ่งเป็นโครงสร้างมนุษย์ต่างดาวขนาดยักษ์ในมหากาพย์นิยายวิทยาศาสตร์ของ Larry Niven ในชื่อเดียวกัน "ความแตกต่างระหว่างการตั้งค่านี้และหนังสือ 'Ringworld' จากหนังสือของ Larry Niven ก็คือในกรณีนี้ไม่มีพื้นที่ผิวที่น่าอยู่ระหว่างดาวเคราะห์" Raymond กล่าว
ระบบล้านล้านดวงนี้มาจากไหน "ฉันจินตนาการได้ว่ามนุษย์ต่างดาวที่มีความก้าวหน้าขั้นสูงสร้างระบบเช่นระบบสุริยะล้านโลกในฐานะงานศิลปะเกี่ยวกับจักรวาลเช่นศิลปะของตึกระฟ้าหรือภูเขาน้ำแข็งที่ทาสี" เรย์มอนด์กล่าว "วิธีที่จะพูดว่า 'ดูสิว่าเราเป็นใคร' ในระดับที่ยิ่งใหญ่ที่สุด"
“ หรือบางทีเอเลี่ยนจะสร้างระบบประเภทนี้ในฐานะสวนสัตว์” เรย์มอนด์กล่าว “ พวกเขาอาจมีการไล่ระดับสีในสภาพอากาศที่ร้อนที่สุดถึงหนาวที่สุดและเก็บดาวเคราะห์ที่มีสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่พวกเขาสะสมไว้ทั่วจักรวาลแน่นอนว่าพวกเขาจะต้องระวังไม่ให้รวมสิ่งมีชีวิตอวกาศเข้าด้วยกัน วงแหวนของดาวเคราะห์ดวงเดียวกันเพราะมันจะไม่จบลงด้วยดี "
สรุปแล้วมันเป็นประโยชน์ที่จะพยายามสร้างระบบดาวเคราะห์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดซึ่งอาจมีอยู่ในระบบ "การค้นพบบางอย่างอาจถูกคาดหวังโดย 'ไปที่นั่น' และจินตนาการถึงความเป็นไปได้ที่อยู่นอกบรรทัดฐานระบบเหล่านี้เป็นการผสมผสานระหว่างนิยายวิทยาศาสตร์และ 'ไปที่นั่น' ในแง่นั้น
“ สิ่งสำคัญที่ฉันต้องทำก็คือพยายามผลักดันขีด จำกัด ของสิ่งที่เราคิดว่าเป็นไปได้” เรย์มอนด์กล่าวสรุป
