Une planète habitable pourrait-elle orbiter autour d'un trou noir supermassif ?

Image promotionnelle du film Interstallar PARAMOUNT IMAGES ET WARNER BROS. DES PHOTOS

Interstellaire occupe une place particulière pour les fans de science-fiction. Le producteur exécutif et conseiller scientifique du film était Kip Thorne, un physicien lauréat du prix Nobel qui a juré que rien dans le film ne violerait les lois de la physique et que toute spéculation sauvage découlerait de la science.

La prémisse du film est que la Terre devient inhabitable et que les humains doivent trouver un autre endroit où vivre. Par chance, les astronomes ont découvert un trou de ver près de Saturne qui agit comme un tunnel à travers l'espace-temps vers un trou noir supermassif lointain appelé Gargantuesque.

Diverses planètes gravitent autour de Gargantuesque. La NASA envoie donc un certain nombre de missions pour sonder les planètes dans l'espoir d'en trouver une qui soit habitable.

Beaucoup de choses ont été écrites sur la précision scientifique du film, sa représentation des trous noirs, etc., la plupart pleines d'éloges. Le physicien Michio Kaku a déclaré que c'était l'étalon-or selon lequel les futurs films de science-fiction seront jugés.

Mais une question reste à résoudre : est-il possible qu'une planète habitable orbite autour d'un trou noir supermassif ? Et aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Jeremy Schnittman au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

Schnittmann a jeté un regard léger sur la question et a calculé si des conditions propices à la vie pouvaient exister sur une planète en orbite proche d'un trou noir supermassif. Et ses conclusions sont surprenantes.

Tout d'abord un peu de contexte. Les astrobiologistes discutent depuis longtemps des conditions nécessaires à la vie de la variété terrestre. Il existe un large consensus sur le fait que la présence d'eau liquide est l'une des exigences fondamentales, ce qui fixe des limites spécifiques à la température des planètes habitables.

L'approche de Schnittman consiste à se demander quel type de sources d'énergie pourrait générer ce type de températures sur une planète en orbite autour d'un trou noir. Une telle source d'énergie devrait être entièrement différente de celle de la Terre.

La température atmosphérique ici est le résultat de l'équilibre entre l'énergie entrante du soleil, qui chauffe l'atmosphère, et l'énergie sortante qui en absorbe. Cela s'avère être une relation complexe qui a engendré une discipline à part entière sous la forme de la science du climat.

Néanmoins, sans soleil, la lumière entrante disparaîtrait, supprimant presque toute l'énergie nécessaire à la vie sur Terre. Sans son flux de chaleur constant, les océans gèleraient probablement en quelques jours, dit Schnittman.

Mais il s'avère qu'il existe un certain nombre d'autres sources d'énergie pour une planète en orbite autour d'un trou noir supermassif. La plus évidente est que les trous noirs supermassifs ne sont pas noirs du tout. La plupart de ce que nous savons sur les trous noirs provient de l'observation du rayonnement électromagnétique provenant du gaz lorsqu'il s'accumule sur le trou noir, explique Schnittman. On pourrait naturellement imaginer que le remplacement du soleil par un trou noir accrétant pourrait ne pas être la fin de la vie sur Terre après tout.

Mais les trous noirs supermassifs ne sont pas seulement brillants ; ce sont les sources de rayonnement persistantes les plus brillantes de l'univers, en particulier dans la région ultraviolette où le rayonnement culmine. Ils sont entourés d'un disque d'accrétion chaud de gaz qui tombe dans le trou noir.

Les conditions dans un tel disque sont tout simplement trop extrêmes pour supporter de l'eau liquide, mais Schnittman dit qu'elles peuvent être rendues plus confortables en imaginant que le taux d'accrétion du trou noir est une infime fraction de la valeur observée.

Le résultat est que toute planète en orbite proche d'un trou noir supermassif le ferait dans un nuage de gaz chaud. Dans le film, les planètes d'intérêt orbitent juste au-delà de l'horizon des événements du trou noir, où Schnittman calcule qu'elles seraient entourées d'un champ de rayonnement du corps noir de 6 000 degrés. Difficilement hospitalier à la vie, commente-t-il.

Plus loin, le gaz serait plus frais. Pour qu'elle soit à température ambiante, la planète devrait orbiter à une distance égale à 100 fois le rayon gravitationnel du trou noir.

Donc, à première vue, l'eau liquide serait possible sur une telle planète. Il est plus difficile d'évaluer si la vie pourrait évoluer. Toutes les formes de vie connues nécessitent une énergie pente Afin de survivre, un fond de rayonnement de corps noir omniprésent ne serait probablement pas très propice à une vie complexe, dit Schnittman.

Il y a un petit problème avec le film en ce que la planète orbite clairement au-delà du disque d'accrétion, ce qui, selon Schnittman, serait dynamiquement instable.

Un problème plus important est que si le taux d'accrétion était plus faible, la densité du disque serait également plus faible, ce qui le rendrait plus difficile à rayonner. Et sans ce rayonnement, le disque d'accrétion chaufferait juste au-delà de la température de l'eau liquide. Il y a donc un paradoxe au cœur de cet argument qui finit par l'invalider.

Cependant, tout n'est pas perdu. Il existe une autre source d'énergie sous forme de fond diffus cosmologique, l'écho du Big Bang. Les astronomes ont mesuré ce rayonnement, et il a une température de seulement 2,7 K, à peine suffisante pour supporter de l'eau liquide.

Mais c'est là que la magie de la relativité entre en jeu. Comme cela apparaît clairement dans le film, le temps ralentit pour les observateurs à la surface de la planète, ce qui a pour effet de déplacer la lumière vers le bleu, la rendant plus chaude. Et plus la planète est proche du trou noir, plus cet effet sera important.

Schnittman calcule qu'une planète en orbite juste au-delà du rayon gravitationnel subirait suffisamment de chaleur du fond cosmique des micro-ondes pour faire l'affaire. Ce serait comme orbiter une naine blanche à une distance de 0,2 UA, dit-il. Cela fournirait suffisamment d'énergie pour l'eau liquide, mais baignerait également la planète dans des niveaux dangereux d'ultraviolets.

Ensuite, il y a la lumière des autres étoiles. Sur Terre, le ciel nocturne est sombre car nous sommes assis dans un bras relativement clairsemé de la galaxie. Mais les trous noirs supermassifs se situent généralement au centre des galaxies, là où la densité d'étoiles est nettement plus élevée. Ainsi, pour une planète en orbite autour du trou noir supermassif au centre de notre galaxie, le ciel nocturne serait 100 000 fois plus lumineux que sur Terre.

Cela fournirait un arrière-plan significatif de lumière UV et de rayons X. Schnittman imagine une civilisation suffisamment avancée pour construire une sorte de sphère de Dyson inversée qui reflète cette énergie. Cela permettrait une habitabilité beaucoup plus proche du trou noir supermassif hôte, même face à un rayonnement de fond UV ou X écrasant, dit-il, espérons-le.

Pourtant, même avec un tel bouclier protecteur, il reste le spectre du tueur silencieux de la nature : les neutrinos, dit-il avec un sentiment de misère croissante. Les neutrinos n'interagissent pas fortement avec la matière. Mais lorsqu'ils sont très nombreux, ils peuvent avoir un impact significatif.

Certains scientifiques pensent que les événements d'extinction de masse sur Terre ont été causés par d'énormes sursauts de neutrinos provenant de supernovas proches. Et un trou noir supermassif en créerait plus qu'assez pour étouffer l'esprit de fête sur n'importe quelle planète.

Cependant, les neutrinos pourraient conduire à un échauffement géothermique. Et contrairement au flux nocif d'UV ou de rayons X de ce rayonnement électromagnétique décalé vers le bleu, le réchauffement par les neutrinos du noyau de la planète pourrait conduire à une population florissante de formes de vie similaires à celles trouvées près des évents océaniques profonds sur Terre, dit Schnittman, avec plus d'un soupçon de vœu pieux.

Ce sens est rapidement perdu alors qu'il passe à d'autres raisons d'être pessimiste. Près d'un trou noir, les ondes gravitationnelles fourniraient un bourdonnement constant de vibrations destructrices. Et la matière noire, si elle existe, fournit une riche tapisserie de malheur.

Schnittman prend soin de ne pas écarter entièrement la possibilité qu'une planète habitable puisse orbiter autour d'un trou noir supermassif, du moins pas explicitement.

Mais le message implicite est clair : il y a peu d'hospitalité là-bas. S'il y a un endroit dans l'univers où les humains devraient chercher des planètes habitables, c'est probablement aussi loin que possible des trous arrière supermassifs.

Fans de Interstellaire, veuillez noter!

Réf : arxiv.org/abs/1910.00940 : La vie sur la planète de Miller : la zone habitable autour des trous noirs supermassifs

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