Un grand nombre de planètes potentiellement habitables pourraient théoriquement exister sur des orbites stables autour d'un trou noir supermassif, comme le Gargantua fictif du film de 2014 «Interstellar».
(Image: © Paramount Pictures)
Un trou noir pourrait avoir 1 million de planètes en orbite autour de lui qui sont potentiellement capables de soutenir la vie telle que nous la connaissons, suggère un astrophysicien.
Puisqu'il y a de la vie pratiquement partout où l'eau liquide existe sur Terre, les astronomes jugent souvent un monde comme potentiellement habitable s'il orbite dans une zone où l'eau liquide pourrait survivre à sa surface. La «zone habitable» de notre soleil n'héberge qu'une seule planète (la Terre), mais l'histoire pourrait être différente pour d'autres étoiles. Par exemple, le système TRAPPIST-1 possède trois planètes de la taille de la Terre dans sa zone habitable.
Sean Raymond, astrophysicien à l'Observatoire de Bordeaux en France, étudie comment les systèmes planétaires se forment et évoluent. Dans le cadre d'une colonne que Raymond écrit intitulée «Construire le système solaire ultime», il a cherché à voir combien de planètes pouvaient orbiter autour d'un trou noir. [Les trous noirs les plus étranges de l'espace]
"Je pense que nous pouvons apprendre des extrêmes ... ce sont essentiellement les limites de la boîte dans laquelle nous recherchons", a déclaré Raymond à Space.com. "Ce système est un extrême - le plus compact imaginable. C'est un mélange amusant d'imagination et de science."
Il existe actuellement deux types de trous noirs que les scientifiques connaissent le mieux, a déclaré Raymond. Les trous noirs de masse stellaire ont une masse égale à quelques soleils et se forment lorsque des étoiles géantes meurent et s'effondrent sur elles-mêmes. Les trous noirs supermassifs représentent des millions à des milliards de fois la masse du soleil, et on pense qu'ils existent dans le cœur de la plupart, sinon de la totalité, des grandes galaxies. (Un trou noir de troisième classe, de masse intermédiaire, est mal compris.)
Les trous noirs sont extrêmement compacts. Un trou noir avec la masse du soleil ne ferait que 6 kilomètres de large. En comparaison, le Sagittaire A *, le trou noir supermassif supposé se cacher au cœur de la Voie lactée, a une masse d'environ 4 millions de soleils et un diamètre d'environ 14,7 millions de miles (23,6 millions de km), soit un peu plus de 40 pour cent de la taille de l'orbite de Mercure autour du soleil.
Et si le soleil avait un compagnon de trou noir?
Une question courante dans les cours de physique est d'imaginer ce qui changerait si le soleil était remplacé par un trou noir de la même masse, a expliqué Raymond. La réponse est que rien ne changerait en ce qui concerne les orbites des planètes - si le trou noir avait la même masse que le soleil, les orbites resteraient les mêmes. (La vie sur Terre souffrirait évidemment du manque de lumière et de chaleur dans un tel scénario, a ajouté Raymond.)
Si le soleil avait un compagnon de trou noir de masse égale en orbite près de lui - à, par exemple, un dixième d'une unité astronomique (AU) - les orbites des planètes du système solaire ne changeraient pas beaucoup, a noté Raymond. (Un UA est la distance Terre-soleil - environ 93 millions de miles, ou 150 millions de kilomètres.)
Pourtant, en supposant que ces planètes restent à la même distance du soleil qu'elles le font maintenant, l'attraction gravitationnelle du soleil et de son partenaire de trou noir conduirait ces mondes à terminer leurs orbites un peu plus rapidement, l'année de la Terre passant de 365 jours à 258 jours, at-il dit.
Dans le scénario ci-dessus, le soleil et le trou noir termineraient une orbite l'un avec l'autre tous les 2,9 jours. Cela signifie que la quantité d'énergie que la Terre recevrait du soleil fluctuerait entre 90% et 110% de sa moyenne à mesure que le soleil s'éloignerait ou se rapprocherait de la Terre.
"C'est comme rebondir entre New York et Miami et revenir tous les 2,9 jours", a noté Raymond. [Black Hole Quiz: Connaissez-vous bien les créations les plus étranges de la nature?]
Et si un trou noir supermassif avait un anneau de planètes?
En plus d'imaginer la vie autour d'un trou noir de masse stellaire, Raymond a également calculé combien de planètes potentiellement habitables pourraient s'adapter autour d'un trou noir supermassif 1 million de fois la masse du soleil. "C'est presque aussi massif que celui au centre de la Voie lactée", a-t-il déclaré. Il ne s'agirait que du diamètre du soleil, a-t-il ajouté.
Autour du soleil, les orbites que les planètes parcourent ne peuvent se rapprocher que si les effets de leur traction gravitationnelle submergent ceux du soleil, conduisant à des orbites instables. Raymond a noté qu'environ six planètes de la masse terrestre peuvent s'insérer dans des orbites concentriques stables dans la zone habitable du soleil.
En revanche, l'attraction gravitationnelle d'un trou noir supermassif est extraordinairement forte, suffisamment pour submerger facilement celles des planètes. Si le soleil était remplacé par un trou noir d'un million de masses solaires, 550 planètes de la masse terrestre pourraient tenir dans des orbites concentriques stables dans la zone habitable, a calculé Raymond.
La gravité du trou noir supermassif se tirerait plus fortement du côté de chaque planète plus près du trou noir. Cela étirerait les planètes de la zone habitable, bien qu'elles ne soient pas assez proches pour se déchirer, a déclaré Raymond.
Une façon de créer une zone habitable autour de ce trou noir supermassif est de placer des étoiles entre lui et les planètes. Un anneau de neuf étoiles semblables au soleil à 0,5 UA d'un trou noir d'un million de soleil rendrait chacune des 550 planètes de la masse terrestre dans le scénario ci-dessus potentiellement habitable, a déclaré Raymond.
"Il serait assez intéressant de vivre sur une planète dans ce système", a noté Raymond. "Il ne faudrait que quelques jours pour terminer une orbite autour du trou noir - environ 1,6 jour au bord intérieur de la zone habitable et 4,6 jours au bord extérieur." [10 exoplanètes qui pourraient héberger la vie extraterrestre]
À l'approche ou à la conjonction la plus proche entre deux de ces planètes, la distance entre ces mondes serait "environ le double de la distance Terre-Lune", a noté Raymond. "À la conjonction, le plus proche voisin de chaque planète apparaît environ deux fois la taille de la pleine lune dans le ciel."
En outre, les voisins les plus proches ne seraient que deux fois plus éloignés et sembleraient donc aussi grands que la pleine lune lors de la conjonction, a déclaré Raymond. Quatre planètes supplémentaires auraient au moins la moitié de la taille de la pleine lune lors de la conjonction, a-t-il ajouté. "Les conjonctions se produisent un peu moins d'une fois par orbite, donc tous les quelques jours il y a un groupe d'objets géants qui traversent le ciel", a-t-il déclaré.
Les neuf soleils "seraient également un spectacle à voir", a déclaré Raymond. Chacun terminait son orbite autour du trou noir toutes les 3 heures.
"Cela signifie que toutes les 20 minutes, l'un des soleils passerait derrière le trou noir", a expliqué Raymond. "Quand un soleil passe derrière le trou noir, la gravité du trou noir fait pencher sa lumière et peut agir comme une lentille. Il concentre la lumière du soleil vers la planète. Cela déforme la forme du soleil en un anneau ... une lumière assez douce spectacle."
De plus, la lumière des étoiles serait étirée par la gravité du trou noir. "Les étoiles plus proches du trou noir sembleraient plus rouges, et celles plus éloignées du trou noir sembleraient plus bleues", a déclaré Raymond.
Un million de planètes autour d'un trou noir
Dans le scénario précédent, chaque planète était seule sur son orbite autour du trou noir supermassif. Raymond a également modélisé ce qui se passerait si plusieurs planètes partageaient une orbite autour d'un trou noir d'un million de soleil. Auparavant, Raymond a calculé que 42 planètes de la masse terrestre pouvaient orbiter dans un anneau à 1 UA du soleil.
Pour avoir un anneau stable de planètes, Raymond a noté que les planètes de cet anneau doivent toutes avoir à peu près la même masse. Il doit également y avoir au moins sept planètes dans un tel anneau, et elles doivent être régulièrement espacées le long d'une orbite circulaire.
Étant donné un trou noir d'un million de soleil avec un anneau en orbite de neuf étoiles semblables au soleil, Raymond a calculé qu'un million de planètes de la masse terrestre pourraient orbiter dans la zone habitable en 400 anneaux, chacun contenant 2500 planètes espacées d'environ la même distance que celle entre la Terre et la lune. Dans ce scénario, les planètes prendraient à nouveau de 1,6 à 4,6 jours pour terminer une orbite. [Les trous noirs les plus étranges de l'univers]
Au lieu de placer neuf étoiles semblables au soleil entre le trou noir et les planètes, Raymond a également suggéré que l'on puisse placer 36 étoiles semblables au soleil dans un anneau de 6 UA de large. Dans ce scénario, "chaque planète est baignée de soleil de tous les côtés - les planètes n'ont pas de côté nuit", a déclaré Raymond. "C'est comme la planète permanente d'Asimov, Kalgash."
"Vous ne vous sentiriez jamais seul dans ces systèmes - les autres planètes se profileraient énormément dans le ciel", a ajouté Raymond. Les planètes voisines seraient environ 10 fois plus proches que la lune de la Terre, ce qui signifie qu'elles sembleraient "environ 40 fois plus grandes dans le ciel que la pleine lune", a déclaré Raymond. "C'est à peu près la taille d'un ordinateur portable tenu à portée de main, seulement dans le ciel."
Dans ce dernier scénario, les planètes seraient beaucoup plus proches du trou noir, chacune accomplissant une orbite en seulement 9 heures environ. Cela signifie qu'ils orbiteraient à des vitesses extraordinaires - environ 10% de la vitesse de la lumière. Selon la théorie d'Einstein de la relativité restreinte, le temps semble se déplacer sensiblement plus lentement à mesure que l'on se rapproche de la vitesse de la lumière, donc "deux bébés nés au même instant sur des anneaux différents vieilliraient à des taux légèrement différents", a déclaré Raymond. "Le bébé sur l'anneau intérieur vieillirait un peu plus lentement."
Les différences de vitesse entre les anneaux seraient suffisamment importantes pour empêcher un vaisseau spatial de se déplacer d'un anneau à l'autre avec n'importe quelle technologie actuelle, a déclaré Raymond. Cependant, chaque monde partagerait son anneau avec des milliers d'autres, et la vitesse relative entre les planètes voisines serait presque nulle. "Un ascenseur spatial pourrait connecter des planètes", a déclaré Raymond.
Si chaque paire de planètes voisines le long d'un anneau donné était connectée, cela ressemblerait à un "Ringworld", une gigantesque mégastructure extraterrestre dans l'épopée de science-fiction de Larry Niven du même nom. "La différence entre cette configuration et le" Ringworld "du livre de Larry Niven est que, dans ce cas, il n'y a pas de surface habitable entre les planètes", a déclaré Raymond.
D'où pourraient provenir ces systèmes à millions de planètes? "Je peux imaginer des extraterrestres super-avancés créant un système comme le système solaire à millions de Terre comme une œuvre d'art cosmique, un peu comme l'art des gratte-ciel ou des icebergs peints", a déclaré Raymond. "Une façon de dire:" Regardez comme nous sommes fantaisistes ", à grande échelle."
"Ou peut-être que les extraterrestres créeraient ce type de système comme un zoo", a déclaré Raymond. "Ils pourraient avoir un gradient dans les climats des plus chauds aux plus froids, et stocker les planètes avec toutes sortes de créatures qu'ils collectent à travers l'univers. Bien sûr, ils devraient faire attention de ne pas mettre les mauvaises combinaisons de créatures spatiales sur le même anneau de planètes, parce que ça ne finirait pas bien. "
Dans l'ensemble, "il est utile d'essayer de trouver tous les systèmes planétaires possibles qui pourraient exister", a déclaré Raymond. "Certaines découvertes auraient pu être anticipées en" allant là-bas "et en imaginant des possibilités qui sont bien au-delà de la norme. Ces systèmes sont une combinaison de science-fiction et" y aller "dans ce sens."
"La principale chose que je fais est simplement d'essayer de repousser les limites de ce que nous pensons possible", a conclu Raymond.
