Một số lượng lớn các hành tinh có thể ở được về mặt lý thuyết có thể tồn tại trên các quỹ đạo ổn định xung quanh một lỗ đen siêu lớn, chẳng hạn như Gargantua hư cấu từ bộ phim "Interstellar" năm 2014.
(Ảnh: © Hình ảnh Paramount)
Một lỗ đen có thể có 1 triệu hành tinh quay quanh nó có khả năng hỗ trợ sự sống như chúng ta biết, một nhà vật lý thiên văn cho biết.
Vì có sự sống hầu như ở mọi nơi nước lỏng tồn tại trên Trái đất, các nhà thiên văn học thường đánh giá một thế giới là có thể ở được nếu nó quay quanh một khu vực nơi nước lỏng có thể tồn tại trên bề mặt của nó. "Vùng có thể ở được" của mặt trời của chúng ta chỉ có một hành tinh (Trái đất), nhưng câu chuyện có thể khác với các ngôi sao khác. Ví dụ, hệ thống TRAPPIST-1 có ba hành tinh có kích thước Trái đất trong vùng có thể ở được.
Sean Raymond, một nhà vật lý thiên văn tại Đài quan sát của Bordeaux ở Pháp, nghiên cứu cách các hệ thống hành tinh hình thành và phát triển. Là một phần của cột Raymond viết có tên "Xây dựng hệ mặt trời tối thượng", ông lên đường để xem có bao nhiêu hành tinh có thể quay quanh một lỗ đen. [Lỗ đen kỳ lạ nhất trong không gian]
"Tôi nghĩ rằng chúng ta có thể học hỏi từ các thái cực ... về cơ bản chúng là ranh giới của chiếc hộp mà chúng ta đang tìm kiếm", Raymond nói với Space.com. "Hệ thống này là một cực đoan - có thể tưởng tượng được đóng gói nhiều nhất. Đó là một sự pha trộn thú vị của trí tưởng tượng và khoa học."
Hiện tại có hai loại lỗ đen mà các nhà khoa học biết rõ nhất, Raymond nói. Các lỗ đen khối sao có khối lượng tương đương với một vài mặt trời và hình thành khi các ngôi sao khổng lồ chết đi và tự sụp đổ. Các hố đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần mặt trời và được cho là tồn tại trong trái tim của hầu hết các thiên hà lớn, nếu không nói là tất cả. (Một lớp thứ ba, các lỗ đen khối lượng trung gian, được hiểu kém.)
Lỗ đen cực kỳ nhỏ gọn. Một lỗ đen với khối lượng của mặt trời sẽ vào khoảng 3,7 dặm (6 km) rộng. Trong khi đó, Sagittarius A *, lỗ đen siêu lớn nghĩ để ẩn nấp ở trung tâm của thiên hà Milky Way, có khối lượng khoảng 4 triệu mặt trời và đường kính khoảng 14,7 triệu dặm (23,6 triệu km), hoặc một chút hơn 40 phần trăm kích thước quỹ đạo của sao Thủy quanh mặt trời.
Điều gì nếu mặt trời có một lỗ đen đồng hành?
Một câu hỏi phổ biến trong các lớp vật lý là tưởng tượng điều gì sẽ thay đổi nếu mặt trời được thay thế bằng một lỗ đen có cùng khối lượng, Raymond nói. Câu trả lời là không có gì thay đổi liên quan đến quỹ đạo của các hành tinh - nếu lỗ đen có cùng khối lượng với mặt trời, các quỹ đạo sẽ vẫn như cũ. (Cuộc sống trên Trái đất rõ ràng sẽ bị thiếu ánh sáng và nhiệt trong kịch bản như vậy, Raymond nói thêm.)
Nếu mặt trời có một lỗ đen có khối lượng bằng nhau quay quanh nó - thì, một phần mười của một đơn vị thiên văn (AU) - quỹ đạo của các hành tinh trong hệ mặt trời sẽ không thay đổi nhiều, Raymond lưu ý. (Một AU là khoảng cách Trái đất-Mặt trời - khoảng 93 triệu dặm, hoặc 150 triệu km.)
Tuy nhiên, giả sử các hành tinh này giữ khoảng cách với mặt trời như hiện tại, lực hấp dẫn của mặt trời và đối tác lỗ đen của nó sẽ khiến các thế giới này hoàn thành quỹ đạo của chúng nhanh hơn một chút, với năm Trái đất giảm từ 365 ngày xuống còn 258 ngày, anh nói.
Trong kịch bản trên, mặt trời và lỗ đen sẽ hoàn thành một quỹ đạo với nhau sau mỗi 2,9 ngày. Điều này có nghĩa là lượng năng lượng mà Trái đất sẽ nhận được từ mặt trời sẽ dao động trong khoảng từ 90 phần trăm đến 110 phần trăm trung bình của nó khi mặt trời di chuyển xa hơn hoặc gần Trái đất hơn.
"Điều đó giống như nảy giữa New York và Miami và trở lại sau mỗi 2,9 ngày," Raymond lưu ý. [Câu đố về hố đen: Làm thế nào bạn biết những sáng tạo kỳ lạ nhất của tự nhiên?]
Điều gì nếu một lỗ đen siêu lớn có một vòng các hành tinh?
Ngoài việc tưởng tượng cuộc sống xung quanh một lỗ đen khối lượng lớn, Raymond còn tính toán có bao nhiêu hành tinh có thể ở được có thể phù hợp với một lỗ đen siêu lớn gấp 1 triệu lần khối lượng mặt trời. "Nó gần như đồ sộ như ở trung tâm dải Ngân hà," anh nói. Nó sẽ chỉ bằng đường kính của mặt trời, ông nói thêm.
Xung quanh mặt trời, các quỹ đạo mà các hành tinh di chuyển chỉ có thể đến rất gần nhau trước khi tác động của lực hấp dẫn của chúng áp đảo những mặt trời, dẫn đến quỹ đạo không ổn định. Raymond lưu ý rằng khoảng sáu hành tinh có khối lượng Trái đất có thể nằm trong quỹ đạo đồng tâm ổn định trong vùng có thể ở của mặt trời.
Ngược lại, lực hấp dẫn của một lỗ đen siêu lớn cực kỳ mạnh, đủ để dễ dàng áp đảo những hành tinh này. Nếu mặt trời được thay thế bằng lỗ đen hàng triệu triệu mặt trời, 550 hành tinh có khối lượng Trái đất có thể nằm trong quỹ đạo đồng tâm ổn định trong vùng có thể ở được, Raymond tính toán.
Lực hấp dẫn của lỗ đen siêu lớn sẽ kéo mạnh hơn về phía mỗi hành tinh gần với lỗ đen hơn. Điều này sẽ kéo dài các hành tinh trong vùng có thể ở được, mặc dù chúng sẽ không đủ gần để bị xé toạc, Raymond nói.
Một cách để tạo ra một khu vực có thể ở được xung quanh lỗ đen siêu lớn này là đặt các ngôi sao giữa nó và các hành tinh. Một vòng gồm chín ngôi sao giống như mặt trời 0,5 AU từ lỗ đen triệu mặt trời sẽ khiến mỗi trong số 550 hành tinh có khối lượng Trái đất trong kịch bản trên có thể ở được, Raymond nói.
"Sẽ rất thú vị khi sống trên một hành tinh trong hệ thống này", Raymond lưu ý. "Sẽ chỉ mất vài ngày để hoàn thành một quỹ đạo xung quanh lỗ đen - khoảng 1,6 ngày ở rìa bên trong của khu vực có thể ở được và 4,6 ngày ở rìa ngoài." [10 ngoại hành tinh có thể tổ chức cuộc sống ngoài hành tinh]
Theo cách tiếp cận gần nhất, hoặc kết hợp, giữa hai hành tinh như vậy, khoảng cách giữa các thế giới này sẽ là "khoảng gấp đôi khoảng cách mặt trăng-mặt trăng", Raymond lưu ý. "Cùng nhau, hàng xóm gần nhất của mỗi hành tinh xuất hiện khoảng gấp đôi kích thước của trăng tròn trên bầu trời."
Ngoài ra, những người hàng xóm gần nhất sẽ chỉ cách xa gấp đôi, và do đó sẽ xuất hiện lớn như trăng tròn trong suốt thời gian kết hợp, Raymond nói. Bốn hành tinh nữa sẽ có kích thước tối thiểu bằng một nửa mặt trăng trong quá trình kết hợp, ông nói thêm. "Sự kết hợp xảy ra ít hơn một lần trên mỗi quỹ đạo, vì vậy cứ sau vài ngày lại có một loạt các vật thể khổng lồ bay ngang qua bầu trời", ông nói.
Chín mặt trời "cũng sẽ là một cảnh tượng đáng chú ý", Raymond nói. Mỗi người sẽ hoàn thành quỹ đạo của nó xung quanh lỗ đen cứ sau 3 giờ.
"Điều đó có nghĩa là cứ sau 20 phút, một trong những mặt trời sẽ vượt qua phía sau lỗ đen", Raymond nói. "Khi một mặt trời đi đằng sau lỗ đen, trọng lực của lỗ đen bẻ cong ánh sáng và có thể hoạt động như một thấu kính. Nó tập trung ánh sáng của mặt trời về phía hành tinh. Điều này làm biến dạng hình dạng của mặt trời thành một vòng ... một ánh sáng khá ngọt ngào chỉ."
Hơn nữa, ánh sáng sao sẽ bị kéo dài bởi lực hấp dẫn của lỗ đen. "Các ngôi sao gần lỗ đen sẽ xuất hiện màu đỏ hơn và những ngôi sao ở xa lỗ đen sẽ xuất hiện nhiều hơn", Raymond nói.
Một triệu hành tinh xung quanh một lỗ đen
Trong kịch bản trước đó, mỗi hành tinh đều đơn độc trong quỹ đạo của nó xung quanh lỗ đen siêu lớn. Raymond cũng mô hình hóa những gì sẽ xảy ra nếu nhiều hành tinh có chung quỹ đạo quanh một lỗ đen triệu mặt trời. Trước đây, Raymond đã tính toán rằng 42 hành tinh có khối lượng Trái đất có thể quay quanh vòng 1 AU từ mặt trời.
Để có một vòng hành tinh ổn định, Raymond lưu ý rằng tất cả các hành tinh trong vòng đó đều phải có cùng khối lượng. Cũng phải có ít nhất bảy hành tinh trong một vòng như vậy và chúng phải cách đều nhau dọc theo một quỹ đạo tròn.
Đưa ra một lỗ đen triệu mặt trời với một vòng quỹ đạo gồm chín ngôi sao giống như mặt trời, Raymond tính toán rằng một triệu hành tinh có khối lượng Trái đất có thể quay quanh vùng có thể ở được trong 400 vòng, mỗi hành tinh giữ 2.500 hành tinh cách nhau khoảng cách tương tự như vậy giữa Trái đất và mặt trăng. Trong kịch bản này, các hành tinh sẽ lại mất từ 1,6 đến 4,6 ngày để hoàn thành một quỹ đạo. [Lỗ đen kỳ lạ nhất trong vũ trụ]
Thay vì đặt chín ngôi sao giống như mặt trời giữa lỗ đen và các hành tinh, Raymond cũng đề nghị người ta có thể đặt 36 ngôi sao giống như mặt trời trong một vòng rộng 6 AU. Trong kịch bản này, "mỗi hành tinh được tắm trong ánh sáng mặt trời từ mọi phía - các hành tinh không có mặt đêm", Raymond nói. "Nó giống như Kalgash, hành tinh thường ngày của Asimov."
"Bạn sẽ không bao giờ cảm thấy đơn độc trong các hệ thống này - các hành tinh khác sẽ lờ mờ trên bầu trời", Raymond nói thêm. Các hành tinh lân cận sẽ gần Trái đất hơn khoảng 10 lần so với mặt trăng, nghĩa là chúng sẽ xuất hiện "lớn hơn khoảng 40 lần trên bầu trời so với trăng tròn", Raymond nói. "Đó là kích thước của một máy tính xách tay được giữ trong tầm tay, chỉ ở trên trời."
Trong kịch bản thứ hai này, các hành tinh sẽ ở gần lỗ đen hơn, mỗi hành tinh hoàn thành một quỹ đạo chỉ trong khoảng 9 giờ. Điều này có nghĩa là chúng sẽ quay quanh với tốc độ phi thường - khoảng 10% tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, thời gian dường như di chuyển chậm hơn đáng kể, người càng tiến gần đến tốc độ ánh sáng, do đó, "hai đứa trẻ được sinh ra cùng một lúc trên các vòng khác nhau sẽ già đi với tốc độ hơi khác nhau", Raymond nói. "Em bé ở vòng trong sẽ già đi chậm hơn một chút."
Sự khác biệt về tốc độ giữa các vòng sẽ đủ lớn để có khả năng khiến tàu vũ trụ không thể di chuyển từ vòng này sang vòng khác với bất kỳ công nghệ hiện tại nào, Raymond nói. Tuy nhiên, mỗi thế giới sẽ chia sẻ vòng của mình với hàng ngàn người khác và tốc độ tương đối giữa các hành tinh lân cận sẽ gần như bằng không. "Một thang máy không gian có thể kết nối các hành tinh," Raymond nói.
Nếu mỗi cặp hành tinh lân cận dọc theo một vành đai nhất định được kết nối, nó sẽ giống với "Ringworld", một siêu hạ tầng ngoài hành tinh khổng lồ trong sử thi khoa học viễn tưởng cùng tên của Larry Niven. "Sự khác biệt giữa thiết lập này và 'Ringworld' từ cuốn sách của Larry Niven là, trong trường hợp này, không có diện tích bề mặt có thể sống được ở giữa các hành tinh," Raymond nói.
Những hệ thống triệu hành tinh như vậy có thể đến từ đâu? "Tôi có thể tưởng tượng người ngoài hành tinh siêu tiên tiến tạo ra một hệ thống như hệ mặt trời triệu Trái đất như một tác phẩm nghệ thuật vũ trụ, giống như nghệ thuật của những tòa nhà chọc trời hoặc những tảng băng trôi," Raymond nói. "Một cách để nói, 'Hãy nhìn chúng tôi lạ mắt như thế nào', trên quy mô lớn nhất."
"Hoặc có thể người ngoài hành tinh sẽ tạo ra loại hệ thống này như một sở thú," Raymond nói. "Chúng có thể có độ dốc ở vùng khí hậu từ nóng nhất đến lạnh nhất và dự trữ các hành tinh với tất cả các loại sinh vật chúng thu thập trên vũ trụ. Tất nhiên, chúng phải cẩn thận để không kết hợp sai các sinh vật không gian vào cùng một vòng các hành tinh, bởi vì điều đó sẽ không kết thúc tốt đẹp. "
Nói chung, "thật hữu ích khi cố gắng đưa ra tất cả các hệ thống hành tinh có thể có ở ngoài đó", Raymond nói. "Một số khám phá có thể được dự đoán bằng cách 'đến đó' và tưởng tượng những khả năng nằm ngoài định mức. Những hệ thống này là sự kết hợp giữa khoa học viễn tưởng và 'đi đến đó' theo nghĩa đó."
"Điều chính tôi đi chỉ đơn giản là cố gắng đẩy các giới hạn của những gì chúng ta nghĩ là có thể," Raymond kết luận.
