Könnte ein bewohnbarer Planet ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreisen?

Werbebild aus dem Interstallar-Film PARAMOUNT PICTURES UND WARNER BROS. BILDER

Interstellar nimmt einen besonderen Platz für Science-Fiction-Fans ein. Der ausführende Produzent und wissenschaftliche Berater des Films war Kip Thorne, ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter Physiker, der schwor, dass nichts in dem Film gegen die Gesetze der Physik verstoßen würde und dass jede wilde Spekulation aus der Wissenschaft stammen würde.

Die Prämisse des Films ist, dass die Erde unbewohnbar wird und die Menschen einen anderen Ort zum Leben finden müssen. Glücklicherweise haben Astronomen in der Nähe von Saturn ein Wurmloch entdeckt, das als Tunnel durch die Raumzeit zu einem entfernten supermassiven Schwarzen Loch namens Gargantuan fungiert.

Verschiedene Planeten umkreisen Gargantuan. Also schickt die NASA eine Reihe von Missionen, um die Planeten zu untersuchen, in der Hoffnung, einen bewohnbaren zu finden.

Über die wissenschaftliche Genauigkeit des Films, seine Darstellung von Schwarzen Löchern usw. ist viel geschrieben worden, das meiste voll des Lobes. Der Physiker Michio Kaku sagte, es sei der Goldstandard, an dem zukünftige Science-Fiction-Filme gemessen werden.

Aber eine Frage muss noch geklärt werden: Ist es überhaupt möglich, dass ein bewohnbarer Planet ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist? Und heute erhalten wir dank der Arbeit von Jeremy Schnittman vom NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, eine Antwort.

Schnittmann hat sich der Frage unbeschwert angenommen und berechnet, ob auf einem Planeten, der nahe einem supermassereichen Schwarzen Loch kreist, lebensreife Bedingungen herrschen könnten. Und seine Schlussfolgerungen sind überraschend.

Zuerst etwas Hintergrund. Astrobiologen haben lange über die Bedingungen gestritten, die für das Leben der erdähnlichen Art notwendig sind. Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass das Vorhandensein von flüssigem Wasser eine der Grundvoraussetzungen ist, und dies setzt der Temperatur bewohnbarer Planeten bestimmte Grenzen.

Schnittmans Ansatz ist die Frage, welche Art von Energiequellen diese Art von Temperaturen auf einem Planeten erzeugen könnten, der ein Schwarzes Loch umkreist. Eine solche Energiequelle müsste sich völlig von der Erde unterscheiden.

Die atmosphärische Temperatur ist hier das Ergebnis des Gleichgewichts zwischen der einfallenden Sonnenenergie, die die Atmosphäre erwärmt, und der ausgehenden Energie, die Energie entzieht. Dies stellt sich als komplexe Beziehung heraus, die mit der Klimawissenschaft eine eigene Disziplin hervorgebracht hat.

Ohne Sonne würde das einfallende Licht jedoch verschwinden und fast die gesamte Energie für das Leben auf der Erde entfernen. Ohne seinen konstanten Wärmefluss würden die Ozeane wahrscheinlich innerhalb weniger Tage zufrieren, sagt Schnittman.

Aber es stellt sich heraus, dass es eine Reihe anderer Energiequellen für einen Planeten gibt, der ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist. Am offensichtlichsten ist, dass supermassereiche Schwarze Löcher überhaupt nicht schwarz sind. Das meiste, was wir über Schwarze Löcher wissen, stammt aus der Beobachtung der elektromagnetischen Strahlung, die von Gas ausgeht, während es sich auf das Schwarze Loch ansammelt, sagt Schnittman. Man könnte sich natürlich vorstellen, dass der Ersatz der Sonne durch ein akkretierendes Schwarzes Loch vielleicht doch nicht das Ende des Lebens auf der Erde bedeutet.

Aber supermassereiche Schwarze Löcher sind nicht nur hell; Sie sind die hellsten dauerhaften Strahlungsquellen im Universum, insbesondere im ultravioletten Bereich, wo die Strahlung ihren Höhepunkt erreicht. Sie sind von einer heißen Akkretionsscheibe aus Gas umgeben, die in das Schwarze Loch fällt.

Die Bedingungen in einer solchen Scheibe sind einfach zu extrem, um flüssiges Wasser zu unterstützen, aber Schnittman sagt, dass sie angenehmer gemacht werden können, indem man sich vorstellt, dass die Akkretionsrate des Schwarzen Lochs nur einen winzigen Bruchteil des beobachteten Werts beträgt.

Das Ergebnis ist, dass jeder Planet, der in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs kreist, dies in einer Wolke aus heißem Gas tun würde. In dem Film umkreisen die interessierenden Planeten knapp hinter dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs, wo Schnittman berechnet, dass sie von einem 6.000-Grad-Schwarzkörper-Strahlungsfeld umgeben wären. Kaum lebensfreundlich, kommentiert er.

Weiter draußen wäre das Gas kühler. Damit es Raumtemperatur hat, müsste der Planet in einer Entfernung umkreisen, die dem 100-fachen des Gravitationsradius des Schwarzen Lochs entspricht.

Auf den ersten Blick wäre also flüssiges Wasser auf einem solchen Planeten möglich. Ob sich das Leben entwickeln könnte, ist schwieriger zu beurteilen. Alle bekannten Lebensformen benötigen eine Energie Gradient Um zu überleben, wäre ein alles durchdringender Schwarzkörperstrahlungshintergrund wahrscheinlich nicht sehr förderlich für komplexes Leben, sagt Schnittman.

Es gibt ein kleines Problem mit dem Film, dass der Planet eindeutig über die Akkretionsscheibe hinaus kreist, was laut Schnittman dynamisch instabil wäre.

Ein größeres Problem ist, dass bei einer geringeren Anreicherungsrate auch die Dichte der Bandscheibe geringer wäre, was die Bestrahlung erschwert. Und ohne diese Strahlung würde sich die Akkretionsscheibe nur über die Temperatur von flüssigem Wasser erwärmen. Es gibt also ein Paradoxon im Kern dieses Arguments, das es letztendlich entkräftet.

Es ist jedoch nicht alles verloren. Es gibt eine weitere Energiequelle in Form des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, des Echos des Urknalls. Astronomen haben diese Strahlung gemessen, und sie hat eine Temperatur von nur 2,7 K, kaum genug, um flüssiges Wasser zu erhalten.

Aber hier kommt die Magie der Relativitätstheorie ins Spiel. Wie im Film deutlich wird, verlangsamt sich die Zeit für Beobachter auf der Oberfläche des Planeten, was dazu führt, dass sich das Licht ins Blaue verschiebt und es heißer wird. Und je näher der Planet am Schwarzen Loch ist, desto größer wird dieser Effekt sein.

Schnittman berechnet, dass ein Planet, der gerade außerhalb des Gravitationsradius kreist, genug Erwärmung durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund erfahren würde, um den Trick zu machen. Das wäre so, als würde man einen Weißen Zwerg in einer Entfernung von 0,2 AE umkreisen, sagt er. Das würde genug Energie für flüssiges Wasser liefern, aber den Planeten auch in gefährliche ultraviolette Strahlung tauchen.

Dann gibt es das Licht von anderen Sternen. Auf der Erde ist der Nachthimmel dunkel, weil wir uns in einem relativ spärlichen Arm der Galaxie befinden. Aber supermassereiche Schwarze Löcher sitzen im Allgemeinen im Zentrum von Galaxien, wo die Dichte der Sterne deutlich höher ist. Für einen Planeten, der das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie umkreist, wäre der Nachthimmel also 100.000 Mal heller als auf der Erde.

Das würde einen erheblichen Hintergrund von UV-Licht und Röntgenstrahlen liefern. Schnittman stellt sich eine Zivilisation vor, die weit genug fortgeschritten ist, um eine Art umgekehrte Dyson-Sphäre zu konstruieren, die diese Energie widerspiegelt. Dies würde eine Bewohnbarkeit viel näher am supermassereichen Schwarzen Loch ermöglichen, selbst angesichts der überwältigenden UV- oder Röntgenstrahlung im Hintergrund, sagt er hoffentlich.

Doch selbst mit einem solchen Schutzschild gibt es immer noch das Gespenst des stillen Killers der Natur: Neutrinos, sagt er mit wachsendem Elend. Neutrinos interagieren nicht stark mit Materie. Aber wenn es eine große Anzahl von ihnen gibt, können sie einen erheblichen Einfluss haben.

Einige Wissenschaftler glauben, dass Massensterben auf der Erde durch riesige Neutrinoausbrüche von nahe gelegenen Supernovas verursacht wurden. Und ein supermassereiches Schwarzes Loch würde mehr als genug schaffen, um die Partystimmung auf jedem Planeten zu dämpfen.

Neutrinos könnten jedoch zu einer geothermischen Erwärmung führen. Und im Gegensatz zum schädlichen UV- oder Röntgenfluss dieser blauverschobenen elektromagnetischen Strahlung könnte die Neutrino-Erwärmung des Planetenkerns zu einer blühenden Population von Lebensformen führen, die denen ähneln, die in der Nähe von Tiefseeschlote auf der Erde zu finden sind, sagt Schnittman, mit mehr als einem Andeutung von Wunschdenken.

Dieser Sinn geht schnell verloren, wenn er zu anderen Gründen für Pessimismus übergeht. In der Nähe eines Schwarzen Lochs würden Gravitationswellen ein stetiges Summen zerstörerischer Vibrationen erzeugen. Und dunkle Materie, sollte sie existieren, bietet einen reichhaltigen Wandteppich des Untergangs.

Schnittman achtet darauf, die Möglichkeit, dass ein bewohnbarer Planet ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreisen könnte, nicht ganz auszuschließen, zumindest nicht explizit.

Aber die implizite Botschaft ist klar – es gibt dort wenig Gastfreundschaft. Wenn es irgendwo im Universum gibt, wo Menschen nach bewohnbaren Planeten suchen sollten, ist es wahrscheinlich so weit wie möglich von supermassiven hinteren Löchern entfernt.

Fans von Interstellar, bitte beachten Sie!

Ref: arxiv.org/abs/1910.00940 : Leben auf Millers Planet: Die bewohnbare Zone um supermassive Schwarze Löcher

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