Die Erde ist in Schwierigkeiten. Sterbende Ernten und tödliche Staubstürme setzen den Planeten unter Druck und lassen die menschliche Rasse dringend ein neues Zuhause brauchen.
In einem verzweifelten Versuch, eines zu finden, wagt sich ein Team mutiger Astronauten unter der Leitung von Joseph Cooper in ein Wurmloch in der Nähe von Saturn, das Lichtjahre entfernt auf Millers Planeten auftaucht – einer Ozeanwelt, die ein supermassereiches Schwarzes Loch namens Gargantua umkreist.
So geht die Handlung des Hollywood-Epos Interstellar aus dem Jahr 2014 . Aber laut neueren Untersuchungen ist diese Idee möglicherweise nicht so weit hergeholt, wie es zunächst den Anschein hat.
Die Fähigkeit, andere Planeten im Weltraum zu entdecken, hat im letzten Vierteljahrhundert erstaunliche Fortschritte gemacht. Wir kennen jetzt mehr als 4.000 Exoplaneten – Welten jenseits unseres Sonnensystems, die ferne Sterne umkreisen.
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Für diejenigen, die da draußen nach außerirdischem Leben suchen, sagt die konventionelle Weisheit, dass wir nach der Erde 2.0 suchen sollten; ein Planet wie der unsere, der einen sonnenähnlichen Stern in sicherer, warmer Entfernung umkreist. Nur dort finden wir das, was das Leben braucht:Wasser.
Im Gegensatz zu lebensspendenden Sternen gelten Schwarze Löcher als Vorboten von Tod und Zerstörung. Sie entstehen, wenn riesige Sterne sterben, und ihre Anziehungskraft ist so extrem, dass sie wie riesige kosmische Falltüren wirken. Fallen Sie hinein und Sie werden auseinandergerissen, ohne eine Chance zu entkommen. Das scheint kaum die ideale Umgebung für die Entwicklung des Lebens zu sein, aber übersehen wir einen Trick?
Schwarze-Loch-Planeten
Keiichi Wada vom National Astronomical Observatory of Japan glaubt das. Er arbeitet an der Physik von Schwarzen Löchern, hat sich aber mit Kollegen zusammengetan, die die Planetenentstehung erforschen, um zu sehen, ob die Idee plausibel ist.
„Die beiden Felder [Planetenentstehung und Schwarze Löcher] sind so unterschiedlich, dass es normalerweise keine Wechselwirkung zwischen ihnen gibt“, sagt Wada. Sie machten sich daran, dies zu ändern, indem sie ihr Wissen kombinierten, um die Entstehung von Planeten um supermassereiche Schwarze Löcher zu modellieren, genau wie Gargantua in Interstellar .
Planeten bilden sich um Sterne herum, wenn die Schwerkraft beginnt, Staubkörner zu winzigen Kugeln zu sammeln, die dann allmählich miteinander kollidieren, um immer größere Objekte zu bilden. Wada und sein Team wollten sehen, ob dies um ein Schwarzes Loch herum passieren könnte.
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Ihr im November 2019 veröffentlichtes Modell zeigt, dass die Gravitationsumgebung in ausreichender Entfernung vom Schwarzen Loch – mindestens 10 Lichtjahre entfernt – stabil genug ist, damit sich Planeten genauso bilden können wie um Sterne wie unsere Sonne .
„Dies ist die allererste Studie, die eine Möglichkeit der direkten Bildung von planetenähnlichen Objekten um supermassive Schwarze Löcher herum behauptet“, sagt Wada. „Wir erwarten mehr als 10.000 Planeten um ein supermassereiches Schwarzes Loch, weil die Gesamtmenge an Staub [dort] enorm ist.“ Das ist eine Menge unerforschter kosmischer Immobilien.
Planeten könnten sich also möglicherweise um Schwarze Löcher bilden, aber das ist keine Garantie dafür, dass sie eine lebensfreundliche Umgebung bieten. Auf der Erde sind Lebewesen in hohem Maße auf das Licht und die Wärme der Sonne angewiesen, um zu überleben. Ohne das Leuchten eines Sterns würde das Leben um ein Schwarzes Loch wahrscheinlich eine alternative Energiequelle benötigen.
Glücklicherweise ist das vielleicht nicht allzu schwer zu bekommen. Laut einem von Dr. Jeremy Schnittman von der NASA im Oktober 2019 veröffentlichten Artikel könnte ein Merkmal vieler Schwarzer Löcher – die Akkretionsscheibe – für die Sonne stehen.
Die Akkretionsscheibe ist praktisch ein flaches Materialband, das sich um das Schwarze Loch herum ansammelt und darauf wartet, verschlungen zu werden. Wenn Material spiralförmig nach unten in Vergessenheit gerät, bewegt es sich am Ende unglaublich schnell und gibt riesige Mengen an Energie ab, bevor es über den Punkt ohne Wiederkehr hinaus verschwindet.
„Alle Schwarzen Löcher, die wir kennen, haben Akkretionsscheiben und sie sind unglaublich hell“, sagt Schnittman. Wenn man nach seinen Berechnungen einen Planeten in die richtige Entfernung vom Schwarzen Loch bringt, erscheint die Akkretionsscheibe genauso groß und hell wie die Sonne an unserem Himmel. „Es würde unserem Sonnensystem sehr ähnlich sehen“, sagt er.
Der Tageshimmel auf einem solchen Planeten mag vertraut sein, aber der Nachthimmel wäre alles andere als bekannt. Die Zentren von Galaxien, in denen sich normalerweise supermassereiche Schwarze Löcher befinden, sind so vollgestopft mit Sternen, dass laut Schnittman der Nachthimmel 100.000 Mal heller wäre als bei uns.
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Diese Sterne sind jedoch nicht sauber über den Himmel verteilt. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs beschleunigt den Planeten auf so hohe Geschwindigkeiten, dass das Sternenlicht alles von einem einzigen Punkt vor Ihnen zu kommen scheint, der kleiner als die Sonne ist. „Es ist, als würde man in den Regen fahren“, sagt Schnittman. Stellen Sie sich ein Raumschiff vor, das in einem Science-Fiction-Film Warp-Geschwindigkeit erreicht. "Es würde sicherlich spektakulär aussehen."
Es gibt jedoch ein Problem, wenn ein Planet durch eine Akkretionsscheibe erwärmt wird. „Sie geben viel mehr Ultraviolett- und Röntgenstrahlung ab als die Sonne“, sagt Schnittman. Diese Art von Strahlung könnte möglicherweise einen ansonsten bewohnbaren Planeten sterilisieren. „Du bräuchtest eine wolkige Atmosphäre, um es zu blockieren“, fügt er hinzu.
Aber das ist nicht unmöglich angesichts dessen, was wir bereits über die Exoplaneten wissen, die wir gefunden haben, die andere Sterne umkreisen. „Dicke, dunstige Atmosphären scheinen ziemlich häufig zu sein“, sagt er. So kommst du vielleicht damit davon, dass es hier auf der Erde wie ein ständig heißer und schwüler Tag ist.
Licht von einem Schwarzen Loch
Angesichts dieser Gefahren und Einschränkungen gibt es möglicherweise einen sichereren Weg, um Welten um Schwarze Löcher herum zu erwärmen:die übrig gebliebene Energie des Urknalls. Astronomen nennen es den „kosmischen Mikrowellenhintergrund“ (CMB), und es wurde 380.000 Jahre nach der Erschaffung des Kosmos ins Universum freigesetzt.
Laut Dr. Pavel Bakala von der Schlesischen Universität in der Tschechischen Republik könnte es dank eines Effekts namens Gravitationslinseneffekt den Platz eines Sterns einnehmen. Aufgrund ihrer enormen Masse verzerren Schwarze Löcher den sie umgebenden Raum so stark, dass sie wie eine Linse wirken.
Ähnlich wie eine Lupe einen Stab in Brand setzen kann, indem sie das Licht der Sonne fokussiert, kann die extreme Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Energie des CMB auf einen umlaufenden Planeten fokussieren.
Doch Bakala sagt, dass dies allein nicht ausreicht, und weist darauf hin, dass wir auf der Erde dank der Erdrotation Tag- und Nachtperioden durchlaufen. „Das hilft, die Energie rund um den Planeten zu zirkulieren“, sagt er.
Die Ruhe der Nacht ist für eine bewohnbare Welt genauso wichtig wie das grelle Licht des Tages. Auch für dieses Problem hat Bakala eine Lösung:den Schatten des Schwarzen Lochs. Wenn Licht den extrem verzerrten Raum um ein Schwarzes Loch durchquert, erzeugt es einen Ring mit einem dunklen Bereich – dem Schatten – darin.
Dies ist auf dem mittlerweile berühmten Foto eines Schwarzen Lochs zu sehen, das die Wissenschaftler hinter dem Event Horizon Telescope im April 2019 veröffentlicht haben. Ein Planet, der diesen Schatten durchquert, würde in die Nacht getaucht. „Das könnte unsere Erfahrung auf der Erde wirklich ähneln“, sagt Bakala.
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Allerdings ist nicht jedes Schwarze Loch geeignet. „Man braucht ein sehr schnell rotierendes Schwarzes Loch“, sagt Bakala. „Es muss sich fast mit Lichtgeschwindigkeit drehen.“ Denn je langsamer sich ein Schwarzes Loch dreht, desto weiter muss man sich von ihm entfernen, um eine stabile Umlaufbahn zu erreichen.
Wenn Sie sich zu weit wagen, erhalten Sie nicht mehr den Tag- und Nachtzyklus, der durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund und den Schatten des Schwarzen Lochs bereitgestellt wird. Es ist nicht ausgeschlossen, besonders wenn wir alte Schwarze Löcher betrachten. Je älter ein Schwarzes Loch ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich beim Verschlucken von Material dreht.
Das Alter eines Schwarzen Lochs ist nicht die einzige zeitbezogene Angelegenheit, die bei der Beurteilung zu berücksichtigen ist, ob es wahrscheinlich ist, dass Leben in einer Umlaufbahn gefunden wird. Schwarze Löcher spielen mit der Zeit selbst herum. In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie sagte uns Albert Einstein, dass Raum und Zeit in ein Gewebe namens Raumzeit verwoben sind – das berühmte Raum-Zeit-Kontinuum.
Ein Schwarzes Loch verzerrt also nicht nur den Raum um sich herum, sondern auch die Zeit. „Dort vergeht die Zeit um den Faktor 1000 langsamer“, sagt Bakala. Das bedeutet, dass für alle 1.000 Tage, die auf der Erde vergehen – etwas mehr als drei Jahre – nur ein einziger Tag auf dem Planeten des Schwarzen Lochs vergeht. Dieser als „Zeitdilatation“ bekannte Effekt bildet einen wichtigen Handlungspunkt in Interstellar , wobei alle sieben Jahre auf der Erde eine Stunde auf Millers Planeten vergeht.
Das Leben auf der Erde begann relativ früh – innerhalb der ersten halben Milliarde Jahre oder so. Damit eine halbe Milliarde Jahre auf dem Planeten des Schwarzen Lochs vergangen wären, müsste das Universum 500 Milliarden Jahre alt sein. Tatsächlich entstand es vor knapp 14 Milliarden Jahren.
Wenn also Leben auf einem realen Miller-Planeten gefunden werden soll, müsste es erheblich schneller aus dem Boden schießen als hier.
Rotation des Schwarzen Lochs
Laut Dr. Lorenzo Iorio vom Ministerium für Bildung, Universität und Forschung in Italien müsste dieses Leben so nah an einem Gravitationsmonster mit einer weiteren harten Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie fertig werden.
Ein Schwarzes Loch kann verheerende Auswirkungen auf die Neigung eines Planeten haben – wie stark seine Rotationsachse aus der Vertikalen gekippt ist. Die Neigung der Erde beträgt derzeit etwas mehr als 23° und diese Neigung gibt uns die Jahreszeiten – Sommer, wenn wir uns zur Sonne neigen, und Winter, wenn wir von ihr weg geneigt sind.
Diese Neigung variiert zwischen 22,1° und 24,5° über einen Zyklus von 41.000 Jahren, während wir von der Schwerkraft unserer Nachbarplaneten herumgezogen werden. Es ist eine relativ kleine Änderung über einen langen Zeitraum und so erhalten wir stabile Jahreszeiten mit minimalen Temperaturschwankungen zwischen ihnen.
Im Gegensatz dazu ist die Schiefe eines Planeten eines Schwarzen Lochs weitaus weniger stabil, wenn er sich durch den verzerrten Raum um seinen Wirt bewegt. „Sie kann in nur 400 Jahren um mehrere zehn Grad schwanken“, sagt Iorio.
Seine im Februar 2020 veröffentlichten Berechnungen stellen erstmals die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf diese Weise dar. "Es ist schädlich für die Möglichkeit, dass sich stabile Lebensformen und Zivilisationen bilden und wachsen", sagt er.
All dies ist bedeutungslos, wenn wir nicht tatsächlich Planeten finden können, die schwarze Löcher umkreisen. Zum Glück könnte eine bevorstehende Weltraummission der Aufgabe gewachsen sein. Im Jahr 2034 plant die Europäische Weltraumorganisation (ESA) den Start der Mission Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Es ist ein unglaublich empfindlicher Detektor zum Aufnehmen von Gravitationswellen – die Wellen, die entstehen, wenn sich Objekte durch die Raumzeit bewegen und diese verzerren.
„LISA wird empfindlich genug sein, um einen erdgroßen Planeten mit schwarzen Löchern in der Milchstraße zu sehen“, sagt Schnittman. „Für einen jupitergroßen Planeten sieht man tausendmal weiter weg“, sagt er.
Das bringt weitere etwa 50 lokale Galaxien ins Spiel, darunter Andromeda und Triangulum. Vielleicht wissen wir dann endlich, ob diese sonnenlosen, sternenlosen Science-Fiction-Welten wirklich da draußen sind.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 353 von BBC Science Focus – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können