Возможна ли жизнь рядом с черными дырами? Новое исследование говорит, что да
Черные дыры – одна из самых устрашающих и разрушающих сил во Вселенной, однако некоторые ученые предполагают, что излучение этих объектов, которые они создают в ходе поглощения окружающей материи, может способствовать появлению биомолекулярных структурных элементов жизни и даже стимулировать фотосинтез. В общем масштабе это может означать, что в нашей галактике может иметься куда больше миров, способных поддерживать жизнь, чем предполагают наши современные гипотезы.
Для своего нового исследования, результаты которого были недавно опубликованы в журнале Astrophysical Journal, астрофизики создали компьютерные модели, чтобы более подробно изучить специфику радиационных дисков из газа и пыли, называемых активными ядрами галактик (АЯГ), которые вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр. Являясь одними из самых ярких объектов во Вселенной, они образуются в результате искривления материи гравитацией черной дыры. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии.
С начала 80-х годов среди ученых ходило мнение, что излучение этих объектов создает мертвую зону вокруг активных ядер галактик. Некоторые исследователи даже предположили, что АЯГ являются причиной того, почему мы до сих пор не обнаружили сложных форм внеземной жизни, в частности, в направлении к центу нашей галактики. В центре Млечного Пути находится огромная черная дары Стрелец А*. Согласно выводам предыдущих исследований, любая землеподобная планета, которая будет находиться в радиусе 3200 световых лет от центра активного ядра галактики, под воздействием мощного рентгеновского и ультрафиолетового излучения АЯГ не сможет сохранить свою атмосферу.
«Люди чаще всего говорят только о разрушительных эффектах черных дыр. Мы же хотели в рамках своего исследования по-новому взглянуть на эти эффекты, в частности, излучение черных дыр, и попробовать обнаружить в них какие-нибудь положительные стороны», — говорит глава исследования, астроном Гарвардского университета Манасви Лингам.
Возможна ли жизнь возле черных дыр?
Созданные исследователями компьютерные модели показали, что планеты с атмосферой по плотности сравнимой с земной и выше, и находящиеся достаточно далеко от АЯГ, будут способны сохранить свои атмосферы и, более того, будут способны поддерживать жизнь на своей поверхности. Ученые поясняют, что на определенном расстоянии от центра АЯГ у последних, как и у звезд, существуют так называемые «обитаемые зоны», где количество ультрафиолетового излучения не так высоко, чтобы погубить все живое, что может там находиться.
При таких уровнях излучения, говорят ученые, атмосферы планет не будут разрушаться. В то же время это излучение будет способно расщеплять молекулы, создавая соединения, необходимые для получения структурных элементов – белков, липидов и ДНК – необходимых по крайней мере для той жизни, которая нам известна. Для черных дыр размером с тот же Стрелец А*, которая находится в центре нашей галактики, «обитаемая зона» будет начинаться примерно в 140 световых годах от центра черной дыры (1 световой год = 10 триллионов километров), говорят исследователи. При этом негативные эффекты ее излучения будут существенно сокращаться уже в радиусе 100 световых лет от центра АЯГ.
Черные дыры и фотосинтез. Что между ними общего?
Ученые также рассмотрели эффекты воздействия этого излучения на фотосинтез — процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света с помощью которого растения производят кислород, а некоторые виды бактерий и водоросли также глюкозу. Как уже отмечалось выше, АЯГ способны излучать огромные объемы ключевого элемента, необходимого для фотосинтеза – свет. По мнению Манасви, этот аспект был бы особенно важен для так называемых планет-сирот, объектов, имеющим массу, сопоставимую с планетарной, и шарообразную форму и являющихся по сути планетами, но не привязанных гравитационно ни к какой звезде. По мнению ученых, в «обитаемой зоне» галактик размером с наш Млечный Путь могут находиться около 1 миллиарда подобных планет-странников.
Рассчитав площадь, на которой АЯГ будут способны поддерживать фотосинтез, ученые обнаружили, что огромное количество галактик, в частности тех, в чьих центрах расположены сверхмассивные черные дыры, смогут поддерживать подобный вид фотосинтеза. Например, для галактики размером с нашу, эта область будет занимать порядка 1100 световых лет вокруг ее центра. Что же касается маленьких и более плотных, так называемых ультракомпактных карликовых галактик, то более половины их площади будет пригодна для фотосинтеза, отмечают ученые.
При свежем взгляде на рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, говорят исследователи, становится понятно, что в прошлом негативные эффекты АЯГ были существенно преувеличены. Ученые поясняют, что многие виды тех же земных бактерий способны создавать вокруг себя специальную биопленку, которая защищает их от ультрафиолетового излучения, поэтому не следует исключать возможности того, что жизнь в областях космоса с повышенным радиационным фоном могла бы также адаптироваться к подобным методам выживания.
В новом исследовании также утверждается, что рентгеновское и гамма-излучение, которое также активно выбрасывается АЯГ в огромных количествах, будет без проблем поглощаться землеподобной атмосферой экзопланет и, по-видимому, не нанесет существенного влияния на формы жизни, которые могут на них обитать.
Что же касается АЯГ нашей галактики, то по мнению исследователей, негативные эффекты его излучения будут существенно снижены уже в радиусе 100 световых лет от центра АЯГ.
«Если взглянуть в качестве примера на нашу Землю, то можно смело предположить, что положительные эффекты излучения могут превосходить его отрицательные эффекты. Для нас это открытие тоже оказалась настоящим откровением», — подытоживает Лингам.
Обсудить новость можно в нашем Telegram-чате.
Может ли на планете рядом с черной дырой быть жизнь?
Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, сверхмассивная черная дыра деформирует окружающее пространство-время. Если вы смотрели фильм “Интерстеллар”, то наверняка запомнили планету Миллера, которую посещали главные герои. Эта планета вращалась вблизи черной дыры, именно поэтому один час на ней равнялся 7 годам на Земле. Согласно новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, сдвиг во времени может существенно повлиять способность планеты вблизи сверхмассивной черной дыры поддерживать жизнь. Временная деформация влияет не только на течение времени, но и на свет, достигающий планеты, что имеет значение для любой жизни, которая в теории может на ней существовать.
Кадр из фильма “Интерстеллар”. Момент, когда герои прибыли на планету Миллера
Новый вид «зоны обитания»
Несмотря на то, что вероятность вращения обитаемой планеты вокруг сверхмассивной черной дыры неясна, подпбные мысленные эксперименты полезны для лучшего понимания Вселенной. По крайне мере такого мнения придерживается ведущий автор исследования Джереми Шнитман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. Подобные размышления помогают ученым думать о том, как устроена Вселенная.
Когда астрономы размышляют о потенциальной внеземной жизни, они часто определяют «зону обитания» в планетарной системе, где условия на планете являются оптимальными для поддержания жизни. Иными словами, температура на планете, которая находится в зоне обитания позволяет воде находится в жидкой форме. А это зависит от таких факторов, как количество света, излучаемого звездой системы, а также расстояние от планеты до солнца. Как думаете, есть ли жизнь на других планетах? Давайте обсудим какой она может быть с участниками нашего Telegram-чата.
Зеленым выделена зона обитаемости и планеты, которые в ней находятся
По словам Шнитмана, можно также определить зоны обитания вокруг сверхмассивных черных дыр — если, конечно, существуют планеты, которые вращаются вблизи этих космических монстров. Интересным является тот факт, что такие планеты будут получать свет и тепло от источников, отличных от света звезд, наподобие нашего Солнца. Например аккреционные диски черных дыр — это горячие ореолы газа и материи, которые собираются вокруг сверхмассивных черных дыр. Аккреционные диски могут быть очень яркими и давать свет орбитальным планетам. При этом этот свет будет сильно отличаться от привычного на Земле. Чтобы лучше представить себе, как выглядит аккреционный диск черной дыры, посмотрите на визуализацию NASA, о которой мы рассказывали вам совсем недавно.
Еще больше новостей из мира науки и высоких технологий читайте на нашем новостном канале в Telegram.
Голубая планета
По мнению Шнитмана, временное искажение на планете Миллера в фильме “Интерстеллар” будет не единственным эффектом, которые планета может испытать вблизи сверхмассивной черной дыры. Ученый считает, что эффект, который замедляет время на планете, также изменит свет, который он получает из окружающего пространства, на более высокие энергии. Эффект, называемый «голубым смещением», потенциально может сделать свет, достигающий планеты около черной дыры, более опасным. Поступающий свет будет усилен до гораздо более высоких частот, включая УФ-диапазон. Воздействие такой высокоэнергетической радиации может повредить живые клетки, поэтому планета, расположенная слишком близко к сверхмассивной черной дыре, может не быть гостеприимной для жизни, какой мы ее знаем.
Аккреционный диск черной дыры может быть источником света для вращающейся вокруг нее планеты
Так или иначе, время влияет на все вокруг нас. И речь идет не только о нашем восприятии реальности, но и о реальности как таковой. Время способно ее изменить. Так что наличие планеты, на которой время идет быстрее или медленнее действительно возможно. Вопрос лишь в том, какие формы жизни могут обитать на подобных небесных объектах.
Астрофизик рассказал, возможна ли жизнь возле черной дыры
Художественное представление черной дыры. Фото: НАСА
Когда мы рассуждаем, на какой планете могла бы обитать жизнь, мы сразу представляем себе каменную планету с жидкой водой на поверхности, вращающейся вокруг звезды типа Солнце. Однако астрофизик Пол М. Саттер из Института Флэтайрон опубликовал статью, в которой предположил существование жизни на скалистой планете, которая вращается вокруг сверхмассивной черной дыры.
Экзотические силы способны были бы поддерживать комфортную температуру на планете, однако есть одно «НО»… Планета должна вращаться почти со скоростью света.
Обитаемая зона
Мы не можем себе представить, на каких планетах могла бы зародиться жизнь и как она может выглядеть, поэтому нам приходиться использовать пример Земли в качестве шаблона, когда мы говорим о поиске жизни за пределами нашей планеты.
Кроме того, тепло не должно накапливаться на поверхности, иначе образуется парниковый эффект, который губительным образом сказывается на жизнь. На Земле, излишнее тепло уходит в виде инфракрасного излучения.
Теплый монстр
Планета Миллер. Кадр из фильма Интерстеллар
На первый взгляд черные дыры – не лучшее место для поиска жизни, ведь они, по сути, являются квинтэссенцией гравитации и ничто, даже свет, не может покинуть их пределы. Однако такая мощная гравитация может преподнести и сюрпризы.
Вся Вселенная заполнена космическим микроволновым фоном (CMB), который является оставшимся после Большого Взрыва излучением. Температура этого излучения на 3 градуса выше абсолютного нуля. При попадании CMB в область гравитации черной дыры, он разгоняется, перестает быть холодным и становится очень, очень горячим.
При быстром вращении черной дыры, это излучение способно концентрироваться в пучок, который светит также ярко, как и звезда.
Источник света
Так что планета, которая вращается рядом со сверхмассивной черной дырой, способна получать достаточно тепла, чтобы вода на ней была в жидком состоянии. Но ведь существует риск быть поглощенным черной дырой?
Недавно группа ученых провела исследование, в котором они рассчитали, что если черная дыра будет достаточно большой, по крайней мере, в 1,6×10
8 раз больше массы Солнца и будет быстро вращаться, то у неё будет своя «зона обитания», расположенная чуть выше горизонта событий. В этой зоне излучение CMB будет достаточно сильным, чтобы согреть планету, а гравитация слабой, чтобы не разорвать планету.
Хотя в теории это возможно, однако данный сценарий почти нереален, ведь планете в этом случае необходимо будет вращаться со скоростью близкой к скорости света. И кто знает, сможет ли планета вообще подойти так близко к черной дыре.
Жизнь внутри черной дыры
Знаю, что здесь это якобы не приветствуется, но делаю кросс-пост отсюда по прямой просьбе автора — Горькавого Николая Николаевича. Есть некоторый шанс, что их идея перевернёт современную науку. И лучше прочитать о ней в оригинале, чем в пересказе рен-тв или ленты.ру.
Для тех, кто не следил за темой. Рассмотрим две вращающихся друг вокруг друга чёрных дыры, допустим, массами 15 и 20 единиц (масс Солнца). Рано или поздно они сольются в одну черную дыру, но её масса будет не 35 единиц, а, скажем, всего 30. Остальные 5 улетят в виде гравитационных волн. Именно эту энергию улавливает гравитационный телескоп LIGO.
Суть идеи Горькавого и Василькова в следующем. Допустим, вы наблюдатель, сидите в своём кресле и чувствуете притяжение 35 единиц массы делить на квадрат расстояния. И тут бац — буквально за секунду их масса уменьшается до 30 единиц. Для вас, в силу принципа относительности, это будет неотличимо от ситуации, когда вас отбросило в обратном направлении с силой в 5 единиц, делить на квадрат расстояния. То есть, неотличимо от антигравитации.
UPD: т.к. не все поняли предыдущий абзац, рассмотрим мысленный эксперимент по аналогии, предложенной в комменте 0serg. Итак, вы — наблюдатель, сидите в танке, который вращается по очень высокой круговой орбите вокруг центра масс этой пары ЧД. Как говаривал ещё дедушка Эйнштейн, не выглядывая из танка, вы никак не можете отличить движение по орбите от просто висения на месте где-то в межгалактическом пространстве. Теперь, предположим, произошло слияние ЧД, и часть их массы улетела. В связи с этим вы должны будете перейти на более высокую орбиту вокруг всё того же центра масс, но уже объединённой ЧД. И вот этот переход на другую орбиту вы у себя в танке ощутите (спасибо ofmetal ) внешние наблюдатели на бесконечности расценят как пинок, толкнувший вас в направлении от центра масс. /UPD
Дальше там идёт куча расчётов с жуткими ОТОшными тензорами. Эти расчёты после тщательнейшей проверки опубликованы в двух статьях в MNRAS — одном из самых авторитетных журналов по астрофизике в мире. Ссылки на статьи: 2016, 2018 (препринт с авторским введением).
А выводы там такие: никакого Большого Взрыва не было, зато была (и есть) Большая Чёрная Дыра. Которая нас всех зохавает.
В данной статье автор (Николай Николаевич) пытается изложить всё это более-менее популярно. Под катом авторский текст, перепечатанный слово в слово.
После выхода двух основных статей с математическими решениями, на повестку дня вышла задача написания более популярной и широкой статьи, а также пропаганда возрождённой космической космологии. И тут оказалось, что удивительным образом на вторую статью успели отреагировать европейцы, которые уже пригласили меня сделать в июне пленарный доклад на 25 минут об ускорении Вселенной с переменной массой. Вижу в этом хороший признак: специалисты устали от «космологической темноты» и ищут альтернативу.
Также журналист Руслан Сафин прислал вопросы в связи с выходом второй статьи. Несколько сокращенная версия ответов была опубликована сегодня в «Южноуральской панораме» под таким заголовком от редакции «Внутри черной дыры. Астроном Николай Горькавый нашел центр Вселенной».
Во-первых, истины ради должен отметить, что именно Александр Васильков стал активно задаваться «наивным» вопросом: Есть ли у Вселенной центр? — чем и инициировал всю нашу дальнейшую космологическую работу. Так что мы искали и нашли этот центр вместе. Во-вторых, газета запросила наше совместное фото, но не дождалась, так что привожу его здесь вместе с полным текстом прочитанного Сашей и дополненного по его замечаниям интервью. Вот и мы: Александр Павлович Васильков слева, а я справа:
1. После выхода вашей первой с Васильковым статьи вы предположили, что наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной связано с преобладанием сил отталкивания над силами притяжения на больших расстояниях. В новой статье вы приходите к другому выводу — об относительном ускоренном расширении: нам кажется, что что-то ускоряется, потому что сами мы замедляемся. Что привело вас к этой мысли?
В статье 2016 года, вышедшей в журнале Королевского астрономического общества, мы с Александром Васильковым показали, что если гравитационная масса объекта меняется, то кроме обычного ньютоновского ускорения, вокруг него возникает дополнительная сила. Она падает обратно пропорционально расстоянию от объекта, то есть медленнее, чем ньютоновская сила, зависящая от квадрата расстояния. Поэтому новая сила должна доминировать на больших дистанциях. При уменьшении массы объекта, новая сила давала отталкивание или антигравитацию, при увеличении — возникало дополнительное притяжение, гипергравитация. Это был строгий математический результат, который модифицировал известное решение Шварцшильда и получался в рамках теории гравитации Эйнштейна. Вывод применим для массы любого размера и сделан для неподвижного наблюдателя.
2. Как появилась растущая Большая Черная Дыра, которая ответственна за относительное ускоренное расширение Вселенной?
Природа тёмная материи, которая, например, вызывала ускоренное вращение галактик, почти век была загадкой. Последние результаты обсерватории ЛИГО, которая поймала несколько гравитационных волн от сливающихся массивных черных дыр, приоткрыли завесу тайны. Ряд исследователей выдвинули модель, по которой темная материя состоит из черных дыр, при этом многие считают, что они попали к нам из прошлого цикла Вселенной. Действительно, черная дыра – единственный макроскопический объект, который невозможно уничтожить даже сжатием Вселенной. Если черные дыры составляют основную часть барионной массы космоса, то при сжатии Вселенной до размера в несколько световых лет, эти черные дыры будут активно сливаться друг с другом, сбрасывая значительную долю своей массы в гравитационные волны. В результате, общая масса Вселенной резко упадет, а на месте слияния облака мелких дыр останется огромная черная дыра размером порядка светового года и с массой в триллионы масс Солнца. Она — непременный результат коллапса Вселенной и слияния черных дыр, а после Большого Взрыва она начинает расти, поглощая гравитационное излучение и любую материю вокруг. Что такая супердыра возникнет на стадии коллапса Вселенной, понимали многие авторы, включая Пенроуза, но никто не знал, насколько важную роль в динамике последующего расширения Вселенной играет эта Большая Черная Дыра.
3. Как далеко от нас и где именно (в какой части неба) она находится? Каковы ее параметры?
Мы полагаем, что на расстоянии порядка пятидесяти миллиардов световых лет. Целая серия независимых исследований говорит об анизотропии различных космологических явлений – и многие из них указывают на область неба возле тусклого созвездия Секстант. В космологии даже появился термин «дьявольская ось». По современной величине ускоренного расширения Вселенной, можно оценить размер Большой Черной Дыры в миллиард световых лет, что дает её массу в 6*10^54 грамм или в миллиарды триллионов солнечных масс – то есть, она выросла в миллиард раз с момента своего возникновения! Но и эту информацию о массе Большой Черной Дыры мы получили с запаздыванием на миллиарды лет. В реальности Большая Черная Дыра уже значительно больше, но насколько — сказать трудно, нужны дополнительные исследования.
4. Можно ли с такого расстояния, на котором располагается эта БЧД, с помощью существующих инструментов увидеть если не ее саму, то хотя бы косвенные признаки, указывающие на ее присутствие в данной части Вселенной? При каких условиях она станет доступна для непосредственного изучения?
Изучив ускорение расширения Вселенной, и как оно зависит от времени, мы определим эволюцию параметров Большой Черной Дыры. Анизотропия космологических эффектов проявляется в распределении по небу флуктуаций реликтового излучения, в ориентации осей галактик и ряде других феноменов. Это тоже способы изучения Большой Черной Дыры на расстоянии. Непосредственно мы её тоже изучим, но попозже.
5. Что бы мы увидели, если бы могли слетать к этой БЧД? Можно ли в нее нырнуть без риска для жизни? Что мы найдем под ее поверхностью?
Насчет внутреннего пространства чёрных дыр даже в учебниках приводится масса противоречивой информации. Многие думают, что на границе черных дыр всех нас непременно разорвет приливными силами на мелкие ленточки – возникло даже словечко «спагеттифицирование». На самом деле, приливные силы на краю очень большой черной дыры совершенно незаметны, а согласно строгим решениям эйнштейновских уравнений, для падающего наблюдателя процесс пересечения границы черной дыры ничем не примечателен. Я полагаю, что под поверхностью Большой Чёрной Дыры мы увидим практически такую же Вселенную – те галактики, которые нырнули в неё пораньше. Главным различием будет смена разбегания галактик на их сближение: все исследователи согласны с тем, что внутри черной дыры всё падает к центру.
6. Если эта черная дыра растет, то однажды она засосет в себя всю остальную материю. Что случится тогда?
7. Когда это событие (сваливание Вселенной в БЧД), по-вашему, должно произойти? Является ли этот временной интервал неизменным для всех циклов расширения/сжатия или может меняться?
Думаю, что космологические циклы с хорошей точностью следуют определенному периоду, связанному с общей массой и энергией Вселенной. Трудно сказать, на какой точно стадии своего цикла мы находимся – для этого нужно строить конкретные космологические модели с заданным количеством барионов, черных дыр, гравитационных волн и других видов излучения. Когда нас настигнет граница растущей Большой Черной Дыры? Расчеты показывают, что она непременно выйдет на сверхсветовой режим расширения – это не нарушает теорию относительности, потому что граница черной дыры не является материальным объектом. Но эта сверхсветовая скорость означает, что наша встреча с этой границей Большой Черной Дыры может произойти в любой момент – мы не сможем засечь её приближение по каким-то наблюдениям, которые ограничены скоростью света. Во избежание паники повторяю: ничего трагического в этом я не вижу, но космологи начнут замечать, как красное смещение далёких галактик будет сменяться на синее. Но для этого свет от них должен успеть к нам дойти.
8. Какие наблюдательные и теоретические данные говорят в пользу предложенной вами космологической модели или, может, делают ее даже обязательной?
Классические уравнения Фридмана основаны на принципе изотропности и однородности. Таким образом, обычная космология в принципе не могла рассматривать эффекты анизотропии, о которых говорят многие наблюдатели. Модифицированные уравнения Фридмана, полученные в нашей с Васильковым статье 2018 года, включают в себя анизотропные эффекты – ведь Большая Черная Дыра расположена в определенном направлении. Тем самым открываются возможности для изучения этих эффектов, что даст подтверждение и самой теории. Мы не строили новую космологию, мы просто вставляем недостающие динамические пружины в хорошо разработанную классическую космологию, которая возникла в середине 20 века, начиная с работ Гамова и его группы. Мы возрождаем эту классическую космологию, делая её частью обычной физики. Сейчас она не содержит никаких предположений о квантовой гравитации, о лишних пространственных измерениях и о темных сущностях вроде «инфляции», «вакуумных фазовых переходов», «темной энергии» и «темной материи». Она работает только в рамках классической и хорошо проверенной теории гравитации Эйнштейна, используя только известные компоненты космоса вроде черных дыр и гравитационных волн. Так как она хорошо объясняет наблюдаемые явления, то это делает её совершенно обязательной – согласно принципам науки. Космологических моделей много, а реальность одна. Возрожденная классическая космология поразительно элегантна и проста, поэтому я полагаю, что мы узнали истинный способ существования Вселенной.
UPD2: Комментарий Горькавого на ваши комментарии:
Не, я туда не пойду. Там на меня жалобу уже написали, то ли в ООН, то ли в Спортлото. Причем написал человек, который думает, что космонавт на орбитальной станции может замерить центробежную орбитальную силу с помощью пружинки. Тут надо еще разобраться, кто мракобес.
Ну, конечно, много смеху в комментах. «Свидетели Малдасены» — просто здорово. Попов и Штерн тоже блеснули. Ну, Попов — я просто не знаю, где он специалист, видел его статью, где он за год до Челябинского болида всех успокаивал, что космической опасности нет и опасны только астероиды в 10 км. Я не думаю, что он способен прочитать нашу статью, но Штерн явно в неё заглянул и изрёк. Ну — ладно я, но вот бы удивился бы англичанин, рецензент нашей статьи, с которым мы долго и тщательно обсуждали сферические симметрии, однородности и неоднородности в нашем решении, что он не отличает одно от другого… Просто восхищают меня эти ребята и те, для кого они авторитет.
