Ziemia ma kłopoty. Malejące zbiory i mordercze burze piaskowe sprawiają, że planeta stała się nieprzyjaznym miejscem do życia. Gdzie ma się podziać ludzkość? Podejmując desperacką próbę znalezienia dla ludzi nowego domu, grupa dzielnych astronautów kierowanych przez Josepha Coopera wlatuje do tunelu czasoprzestrzennego w pobliżu Saturna. Wynurza się z niego lata świetlne dalej, obok planety Millera – wodnego świata orbitującego wokół supermasywnej czarnej dziury znanej jako Gargantua.

Tak wygląda fabuła filmowego hitu „Interstellar” z 2014 r. Według najnowszych badań nie jest aż tak fantastyczna, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.

Egzoplanety mogą krążyć również wokół czarnych dziur

W ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat nasza umiejętność znajdowania w kosmosie nowych planet znacząco wzrosła. Obecnie wiemy o istnieniu ponad 4 tys. egzoplanet – światów poza Układem Słonecznym orbitujących wokół odległych gwiazd.

Utarł się pogląd, że to wśród nich powinniśmy szukać Ziemi 2.0; planety takiej jak nasza, która położona jest w odpowiedniej odległości od podobnej do Słońca macierzystej gwiazdy. Tylko tam znajdziemy tę jedną rzecz, której życie bezwzględnie potrzebuje: wodę.

W przeciwieństwie do „życiodajnych” gwiazd czarne dziury uważa się za siewców śmierci i zniszczenia. Powstają, kiedy umiera masywna gwiazda, a ich oddziaływanie grawitacyjne jest tak ekstremalnie silne, że działają jak gigantyczna kosmiczna pułapka. Wpadnij w nią, a zostaniesz rozerwany bez szansy na ucieczkę. To nie brzmi jak opis idealnego miejsca do rozwoju życia – ale może się mylimy?

Prof. Keiichi Wada z japońskiego Narodowego Obserwatorium Astronomicznego jest o tym przekonany. Zajmuje się fizyką czarnych dziur, jednak ostatnio zaczął współpracować z kolegami badającymi formowanie się planet.

– Te dwie dziedziny są tak różne, że zazwyczaj nie ma między nimi żadnego związku – mówi prof. Wada. Jednak łącząc wiedzę z obu gałęzi astronomii, można badać powstawanie globów wokół supermasywnych czarnych dziur takich jak Gargantua z „Interstellar”.

Wokół czarnych dziur jest bardzo dużo pyłu, z którego mogą powstać planety

Jak się rodzą planety? Krążący wokół gwiazd pył kosmiczny pod wpływem siły grawitacji zaczyna się formować w niewielkie kule. Wpadając na siebie łączą się one, tworząc coraz większe i większe obiekty.

Prof. Wada i jego zespół postanowili sprawdzić, czy ten proces mógłby zachodzić również w pobliżu czarnej dziury. Ich model pokazał, że w odpowiedniej odległości od czarnej dziury – minimum 10 lat świetlnych – grawitacja jest wystarczająco stabilna, by glob uformował się w taki sam sposób, jak tworzy się w pobliżu gwiazd takich jak Słońce.

– To pierwsze badanie, które dopuszcza taką możliwość – mówi prof. Wada. – Przewidujemy, że wokół zaledwie jednej supermasywnej czarnej dziury mogłoby krążyć nawet 10 tys. planet, ponieważ jest tam wyjątkowo dużo pyłu, z którego mogłyby powstać.

A więc planety teoretycznie mogłyby uformować się wokół czarnych dziur. Nie ma jednak gwarancji, że istniałyby na nich warunki sprzyjające życiu. Na Ziemi organizmy potrzebują do przetrwania słonecznego światła i ciepła. Bez blasku gwiazdy życie wokół czarnej dziury potrzebowałoby alternatywnego źródła energii. Na szczęście znaleźć je może wcale nie być trudno. Zeszłej jesieni dr Jeremy Schnittman z NASA opublikował artykuł, w którym wykazał, że Słońce mógłby zastąpić krążący wokół czarnej dziury dysk akrecyjny.

To wirująca płaska opaska składająca się z ogromnych ilości pyłu i gazu. Materiał ten opada po spirali na czarną dziurę, wirując z rosnącą szybkością. Tuż przed tym, gdy minie horyzont zdarzeń – punkt, z którego nie ma już powrotu – osiąga gigantyczną prędkość oraz emituje ogromne ilości energii.

– Wszystkie czarne dziury, jakie znamy, mają dyski akrecyjne, które są wyjątkowo jasne – mówi dr Schnittman. Według jego obliczeń jeśli planetę umieści się w odpowiedniej odległości od czarnej dziury, widziany z jej powierzchni dysk akrecyjny będzie dawał tyle samo światła i wyglądał jak Słońce na naszym niebie. – Widok byłby podobny jak w Układzie Słonecznym – mówi naukowiec.

Przynajmniej w ciągu dnia. W nocy panorama nieba przedstawiałaby się bowiem zupełnie inaczej. Supermasywne czarne dziury znajdują się zazwyczaj w centrum galaktyk, pełnym gwiazd, co sprawiłoby, według Schnittmana, że tamtejsze nocne niebo byłoby 100 tys. razy jaśniejsze niż nasze.

To jednak nie koniec różnic, ponieważ widziane z takiej planety gwiazdy nie byłyby po prostu rozrzucone po całym nieboskłonie. Grawitacja czarnej dziury sprawiłaby, że istniejąca niedaleko niej planeta poruszałaby się z gigantyczną prędkością. W rezultacie całe widoczne w nocy światło wydawałoby się wypływać z jednego punktu położonego na wprost obserwującego, mniejszego niż Słońce.

– To jak jazda pod zacinający płasko ulewny deszcz – mówi dr Schnittman. Albo jak widok, jaki ma przed sobą załoga na statku z filmu sf wchodzącym w nadświetlną. – Na pewno byłby spektakularny – dodaje naukowiec.

Istnieje jednak problem. – Dyski akrecyjne emitują o wiele silniejsze promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie niż Słońce – zauważa dr Schnittman. Prawdopodobnie mogłoby ono zabić całe życie na nadającej się do zamieszkania planecie. – By je zablokować, potrzebna byłaby pełna chmur atmosfera – dodaje ekspert.

Co nie jest niemożliwe, uwzględniając to, co już wiemy o egzoplanetach orbitujących wokół gwiazd. – Gęste, mgliste atmosfery występują na nich całkiem często – mówi dr Schnittman. A więc na globie w pobliżu czarnej dziury mogłoby być jak na Ziemi w gorący i jednocześnie bardzo wilgotny dzień.

Planetę w pobliżu czarnej dziury mogłoby ogrzewać skupione promieniowanie

Biorąc pod uwagę te ograniczenia i zagrożenia, być może warto poszukać bezpieczniejszego sposobu na ogrzewanie światów wokół czarnych dziur. Mogłaby nim być energia pozostała po Wielkim Wybuchu, nazywana przez astronomów mikrofalowym promieniowaniem tła. Zostało ono wyemitowane zaledwie 380 tys. lat po tym, jak powstał komos.

Według dr. Pawła Bakali ze Śląskiego Uniwersytetu w Czechach mogłoby ono zająć miejsce gwiazdy dzięki tzw. soczewkowaniu grawitacyjnemu. Z powodu swojej gigantycznej masy czarne dziury uginają przestrzeń tak bardzo, że działają jak soczewki.

Mając szkło powiększające, można w lesie zapalić gałąź, ogniskując na niej promienie słoneczne. Tak samo supersilna grawitacja czarnej dziury może zogniskować energię kosmicznego promieniowania tła na orbitującej wokół niej planecie.

Dr Bakala twierdzi jednak, że to jeszcze nie jest rozwiązanie. Zwraca uwagę na fakt, że na Ziemi, obracającej się wokół swojej własnej osi, istnieją cykle dnia i nocy. – To pomaga rozprowadzać energię po całej powierzchni planety – mówi i dodaje, że nocne wytchnienie jest dla życia tak samo ważne jak blask dnia.

Dr Bakala uważa, że można by temu zaradzić za pomocą czegoś, co nazywa się cieniem czarnej dziury. Kiedy światło kręci się wokół czarnej dziury, w ekstremalnie ugiętej przestrzeni tworzy pierścień z ciemnym obszarem pośrodku. To właśnie ten cień widać na pierwszym słynnym zdjęciu czarnej dziury pokazanym w kwietniu 2019 r. przez naukowców, którzy opracowali dane z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. Na planecie przechodzącej przez ten cień nastawałaby noc. – Doświadczenie byłoby bardzo podobne do tego, jakie znamy z Ziemi – twierdzi dr Bakala.

Jednak nie każda czarna dziura gwarantuje taki efekt. – Musi się bardzo prędko obracać – mówi naukowiec. – Z prędkością zbliżoną do prędkości światła – wyjaśnia. To warunek konieczny, ponieważ im wolniej czarna dziura się kręci, tym bardziej musisz się od niej oddalić, by trafić na stabilną orbitę.

Jednak jeśli oddalisz się zbyt daleko, znajdziesz się w miejscu, gdzie nie będzie już cyklu dnia i nocy zapewnianego przez kosmiczne promieniowanie tła i cień czarnej dziury. Tylko niektóre czarne dziury – szczególnie te najstarsze, które połknęły już mnóstwo materii – obracają się już dostatecznie szybko, że mogłyby zapewnić planecie postulowane wyżej warunki.

Jeśli rozważamy, czy wokół czarnej dziury mogłoby istnieć życie, musimy uświadomić sobie jeszcze, że jej wiek nie jest kwestią związaną wyłącznie z czasem. W ogólnej teorii względności Albert Einstein wykazał, że czas i przestrzeń są połączone ze sobą, tworząc czasoprzestrzeń – słynne czasoprzestrzenne kontinuum. A więc czarna dziura nie tylko ugina przestrzeń wokół siebie, ale również czas.

– Czas zwalnia przy niej o około tysiąc razy – mówi dr Bakala. To oznacza, że na każde tysiąc dni, jakie upłynęłyby na Ziemi, na planecie w pobliżu czarnej dziury minęłaby tylko jednak doba. Ten efekt zwany dylatacją czasu ma ogromne znaczenie dla fabuły „Interstellar”, gdzie godzina upływająca na planecie Millera odpowiada siedmiu latom na Ziemi.

Życie na naszej planecie zaczęło się rozwijać bardzo szybko – w ciągu pierwszego pół miliarda lat od jej powstania. By na globie wokół czarnej dziury upłynęło pół miliarda lat, Wszechświat musiałby mieć 500 mld lat. Tymczasem jego historia zaczyna się mniej niż 14 mld lat temu. A zatem jeśli życie miałoby zostać odnalezione na globie takim jak planeta Millera, musiałoby się tam rozwijać o wiele szybciej, niż miało to miejsce na Ziemi.

Detektory fal grawitacyjnych mogą wykryć planety krążące wokół czarnych dziur

Według dr. Lorenzo Iorio z włoskiego Ministerstwa Edukacji, Uniwersytetów i Badań, w pobliżu grawitacyjnych potworów, jakimi są czarne dziury, życie musiałoby poradzić sobie jeszcze z jedną konsekwencją ogólnej teorii względności. Czarna dziura może zaburzać nachylenie osi planety – wartości określającej, jak bardzo jej oś obrotu odbiega od prostej prostopadłej do płaszczyzny orbity.

Nachylenie osi Ziemi wynosi nieco ponad 23 stopnie i to dzięki niemu mamy pory roku – lato, gdy zamieszkiwana przez nas półkula zwraca się w stronę Słońca, i zimę, gdy pozostaje od niego odwrócona. Wielkość ta nie jest stała: waha się między 22,1 st. i 24,5 st. w trwających 41 tys. lat cyklach wyznaczanych przez oddziaływanie grawitacyjne sąsiednich planet. Zmiana jest stosunkowo niewielka, a okres długi, co sprawia, że mamy stabilne pory roku z niewielkimi różnicami temperatur.

Nachylenie osi planety w pobliżu czarnej dziury byłoby jednak zacznie mniej stabilne, ponieważ glob podążałby przez ugiętą czasoprzestrzeń. – Mogłoby się zmieniać o dziesiąte części stopnia w ciągu 400 lat – mówi dr Iorio. Jego obliczenia, opublikowane w lutym, po raz pierwszy wykorzystują w tym celu ogólną teorię względności. – Niestety podważają możliwość, że w pobliżu czarnych dziur mogłoby rozwinąć się życie i cywilizacje – mówi naukowiec.

To wszystko jednak jest bez znaczenia dopóty, dopóki nie znajdziemy planety w pobliżu czarnej dziury. Na szczęście mogą w tym pomóc najbliższe misje kosmiczne. W 2034 r. Europejska Agencja Kosmiczna planuje przełomową misję LISA – Laser Interferometer Space Antenna. Będzie to niesłychanie czuły detektor fal grawitacyjnych – zmarszczek powstających, kiedy obiekty o potężnej masie poruszają się i rozrywają czasoprzestrzeń. – LISA będzie wystarczająco czuła, by znaleźć w naszej galaktyce planety wielkości Ziemi krążące wokół czarnych dziur – mówi dr Schnittman.

– Szukając planet wielkości Jowisza, będziemy mogli zerknąć tysiące razy dalej – dodaje. Co pozwala wziąć pod uwagę kolejne 50 lokalnych galaktyk, uwzględniając Andromedę i Galaktykę Trójkąta.  Może wtedy dowiemy się, czy bezgwiezdne światy z opowieści science fiction naprawdę istnieją.