Ngay sau khi Einstein công bố Lý thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915, các nhà vật lý bắt đầu suy đoán về sự tồn tại của các lỗ đen. Những vùng không-thời gian mà từ đó không có gì (thậm chí không có ánh sáng) có thể thoát ra là những gì xảy ra một cách tự nhiên ở phần cuối của vòng đời sao lớn nhất. Trong khi các lỗ đen thường được cho là ăn phàm ăn, một số nhà vật lý đã tự hỏi liệu họ cũng có thể hỗ trợ các hệ thống hành tinh của riêng họ.
Tìm cách giải quyết câu hỏi này, Tiến sĩ Sean Raymond - một nhà vật lý người Mỹ hiện đang ở Đại học Bourdeaux - đã tạo ra một hệ thống hành tinh giả thuyết, nơi một lỗ đen nằm ở trung tâm. Dựa trên một loạt các tính toán hấp dẫn, ông xác định rằng một lỗ đen sẽ có khả năng giữ chín Mặt trời riêng lẻ trên quỹ đạo ổn định xung quanh nó, có thể hỗ trợ 550 hành tinh trong vùng có thể ở được.
Ông đặt tên cho hệ thống giả thuyết này là The Black Hole Ultimate Solar System, bao gồm một lỗ đen không quay có khối lượng lớn gấp 1 triệu lần so với Mặt trời. Đó là khoảng một phần tư khối lượng của Nhân Mã A *, lỗ đen siêu lớn (SMBH) nằm ở trung tâm của Dải Ngân hà (chứa 4,31 triệu Khối lượng Mặt trời).
Như Raymond chỉ ra, một trong những lợi thế trước mắt của việc có lỗ đen này ở trung tâm của một hệ thống là nó có thể hỗ trợ một số lượng lớn Mặt trời. Vì lợi ích của hệ thống của mình, Raymond đã chọn 9, nghĩ rằng anh ta chỉ ra rằng nhiều thứ nữa có thể được duy trì nhờ vào ảnh hưởng hấp dẫn tuyệt đối của lỗ đen trung tâm. Như ông đã viết trên trang web của mình:
Có thể cho lỗ đen lớn đến mức nào, một chiếc nhẫn có thể chứa tới 75 Mặt trời! Nhưng điều đó sẽ di chuyển vùng có thể ở ra ngoài khá xa và tôi không muốn hệ thống bị dàn trải. Vì vậy, tôi sẽ sử dụng 9 Mặt trời trong vòng, di chuyển mọi thứ ra ngoài theo hệ số 3. Hãy đặt vòng ở mức 0,5 AU, bên ngoài quỹ đạo tròn ổn định trong cùng (ở khoảng 0,02 AU) nhưng cũng nằm trong vùng có thể ở được (từ khoảng 2,7 đến 5,4 AU).
Một lợi thế lớn khác của việc có một lỗ đen ở trung tâm của một hệ thống là nó thu nhỏ cái được gọi là bán kính Hill Hill (hay còn gọi là quả cầu Hill hay quả cầu Roche). Đây thực chất là khu vực xung quanh một hành tinh nơi lực hấp dẫn của nó chiếm ưu thế so với ngôi sao mà nó quay quanh và do đó có thể thu hút các vệ tinh. Theo Raymond, bán kính hành tinh đồi Hill sẽ nhỏ hơn 100 lần quanh một lỗ đen triệu mặt trời so với xung quanh Mặt trời.
Điều này có nghĩa là một vùng không gian nhất định có thể phù hợp với các hành tinh nhiều gấp 100 lần nếu chúng quay quanh một lỗ đen thay vì Mặt trời. Như ông đã giải thích:
Các hành tinh có thể rất gần nhau vì lỗ đen Lực hấp dẫn rất mạnh! Nếu các hành tinh là đồ chơi nhỏ Ô tô nóng, hầu hết các hệ hành tinh được bố trí giống như đường cao tốc thông thường (lưu ý phụ: Tôi yêu Bánh xe nóng). Mỗi chiếc xe vẫn ở trong làn đường riêng của mình, nhưng những chiếc xe nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng. Xung quanh một lỗ đen, các hệ thống hành tinh có thể được thu nhỏ xuống các rãnh có kích thước bánh xe nóng. Những chiếc xe Hot Wheels - các hành tinh của chúng ta - không thay đổi gì cả, nhưng chúng có thể vẫn ổn định trong khi gần nhau hơn nhiều. Họ không liên lạc với nhau (điều đó sẽ không ổn định), họ chỉ ở gần nhau hơn.
Đây là những gì cho phép nhiều hành tinh được đặt với vùng có thể ở được của hệ thống. Dựa trên bán kính Trái đất Trái đất, Raymond ước tính rằng khoảng sáu hành tinh có khối lượng Trái đất có thể phù hợp với quỹ đạo ổn định trong cùng khu vực xung quanh Mặt trời của chúng ta. Điều này dựa trên thực tế là các hành tinh có khối lượng Trái đất có thể cách nhau khoảng 0,1 AU và duy trì quỹ đạo ổn định.
Cho rằng vùng có thể ở của Sun Sun tương ứng với khoảng cách giữa Sao Kim và Sao Hỏa - tương ứng là 0,3 và 0,5 AU - điều này có nghĩa là có 0,8 AU phòng để làm việc. Tuy nhiên, xung quanh một lỗ đen với 1 triệu Khối lượng Mặt trời, hành tinh lân cận gần nhất có thể chỉ là 1/1000thứ tự (0,001) của một AU đi và vẫn có quỹ đạo ổn định.
Làm toán, điều này có nghĩa là khoảng 550 Trái đất có thể nằm trong cùng khu vực quay quanh hố đen và chín Mặt trời của nó. Có một nhược điểm nhỏ đối với toàn bộ kịch bản này, đó là lỗ đen sẽ phải duy trì ở khối lượng hiện tại. Nếu nó trở nên lớn hơn nữa, nó sẽ khiến cho bán kính Hill của 550 hành tinh của nó co lại ngày càng xa hơn.
Khi bán kính Hill xuống đến điểm có cùng kích thước với bất kỳ hành tinh nào có khối lượng Trái đất, lỗ đen sẽ bắt đầu xé chúng ra. Nhưng với khối lượng 1 triệu Mặt trời, lỗ đen có khả năng hỗ trợ một hệ thống hành tinh khổng lồ một cách thoải mái. Ông nói với lỗ đen triệu mặt trời của chúng tôi, bán kính Trái đất đồi (trên quỹ đạo hiện tại của nó) đã xuống đến giới hạn, chỉ hơn một chút so với bán kính thực tế của Trái đất gấp đôi, ông nói.
Cuối cùng, Raymond xem xét các hàm ý rằng sống trong một hệ thống như vậy sẽ có. Đối với một người, một năm trên bất kỳ hành tinh nào trong khu vực có thể sinh sống của hệ thống sẽ ngắn hơn nhiều, do thực tế chu kỳ quỹ đạo của họ sẽ nhanh hơn nhiều. Về cơ bản, một năm sẽ kéo dài khoảng 1,6 ngày đối với các hành tinh ở rìa trong của vùng có thể ở được và 4,6 ngày đối với các hành tinh ở rìa ngoài của vùng có thể ở được.
Ngoài ra, trên bề mặt của bất kỳ hành tinh nào trong hệ thống, bầu trời sẽ đông đúc hơn rất nhiều! Với rất nhiều hành tinh có quỹ đạo gần nhau, chúng sẽ đi rất gần nhau. Điều đó về cơ bản có nghĩa là từ bề mặt của bất kỳ Trái đất riêng lẻ nào, mọi người sẽ có thể nhìn thấy Trái đất gần đó rõ ràng như chúng ta thấy Mặt trăng vào một số ngày. Như Raymond minh họa:
Ở cách tiếp cận gần nhất (kết hợp) khoảng cách giữa các hành tinh là khoảng gấp đôi khoảng cách Trái đất-Mặt trăng. Những hành tinh này đều có kích thước Trái đất, lớn hơn Mặt trăng khoảng 4 lần. Điều này có nghĩa là tại mỗi hành tinh, hàng xóm gần nhất của hành tinh xuất hiện khoảng gấp đôi kích thước của Mặt trăng đầy đủ trên bầu trời. Và có hai hàng xóm gần nhất, bên trong và bên ngoài. Thêm vào đó, những người hàng xóm gần nhất ở cách xa gấp đôi nên họ vẫn lớn như Trăng tròn trong suốt thời gian kết hợp. Và bốn hành tinh nữa có kích thước tối thiểu bằng một nửa Mặt trăng trong quá trình kết hợp.
Ông cũng chỉ ra rằng các liên kết sẽ xảy ra gần như một lần trên mỗi quỹ đạo, điều đó có nghĩa là cứ sau vài ngày, sẽ không thiếu các vật thể khổng lồ đi ngang qua bầu trời. Và tất nhiên, sẽ có Sun Sun. Nhớ lại cảnh đó trong Chiến tranh giữa các vì sao mà Luke Skywalker trẻ tuổi đang ngắm hai mặt trời lặn trên sa mạc? Vâng, nó sẽ là một chút như vậy, ngoại trừ cách mát mẻ hơn!
Theo tính toán của Raymond, chín mặt trời sẽ hoàn thành một quỹ đạo quanh lỗ đen cứ sau ba giờ. Cứ sau hai mươi phút, một trong những Mặt trời này sẽ vượt qua lỗ đen, chỉ mất 49 giây để làm điều đó. Tại thời điểm này, thấu kính hấp dẫn sẽ xảy ra, trong đó lỗ đen sẽ tập trung ánh sáng Mặt trời về phía hành tinh và làm biến dạng hình dạng rõ ràng của Mặt trời.
Để minh họa điều này sẽ như thế nào, anh ta cung cấp một hình ảnh động (hiển thị ở trên) được tạo bởi @GregroxMun - một người điều hành hành tinh phát triển đồ họa không gian cho Kerbal và các chương trình khác - sử dụng Space Engine.
Trong khi một hệ thống như vậy có thể không bao giờ xảy ra trong tự nhiên, thật thú vị khi biết rằng một hệ thống như vậy sẽ có thể thực hiện được. Và ai biết? Có lẽ một loài đủ tiên tiến, với khả năng kéo các ngôi sao và hành tinh từ một hệ thống và đặt chúng vào quỹ đạo quanh một lỗ đen, có thể tạo ra hệ Mặt trời tối thượng này. Có lẽ một cái gì đó cho các nhà nghiên cứu của SETI đang tìm kiếm, có lẽ?
Bài tập giả thuyết này là phần thứ hai trong loạt hai phần của Raymond, có tựa đề Lỗ đen và các hành tinh. Trong phần đầu tiên, Hệ thống năng lượng mặt trời Lỗ đen, Raymond đã xem xét mọi thứ sẽ như thế nào nếu hệ thống của chúng ta quay quanh một nhị phân Mặt trời lỗ đen. Như ông đã chỉ ra, hậu quả đối với Trái đất và các hành tinh Mặt trời khác sẽ rất thú vị, phải nói là ít nhất!
Raymond gần đây cũng đã mở rộng trên Hệ mặt trời tối thượng bằng cách đề xuất Hệ mặt trời triệu trái đất. Kiểm tra tất cả tại trang web của anh ấy, PlanetPlanet.net.
