LISA:Registrering af eksoplaneter ved hjælp af gravitationsbølger

Menneskeheden oplever en revolution inden for astronomi. Indtil for nylig, vi har været afhængige af det elektromagnetiske spektrum (dvs. lys) for at gøre opdagelser fra vores solsystems baggård til de fjerneste områder af kosmos ved hjælp af teleskoper. Nu, med den første historiske påvisning af gravitationsbølger den 14. september, 2015, et helt nyt univers venter os, en, hvor vi kan analysere rumtiden krusninger, der skyller over os fra sorte hulkollisioner og, eventuelt, fremmede verdener, når de kredser om deres fjerne stjerner.

I en undersøgelse, der blev offentliggjort den 8. juli, 2019, i naturastronomi, en gruppe forskere har undersøgt sidstnævnte mulighed for at afsløre ekstrasolare planeter, eller eksoplaneter, der ellers ville forblive usynlig for traditionelle astronomiske teknikker.

"Vi foreslår en metode, der bruger gravitationsbølger til at finde eksoplaneter, der kredser binære hvide dværgstjerner, "Nicola Tamanini, fra Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) i Potsdam, Tyskland, sagde i en erklæring.

Indtil nu, gravitationsbølgerne genereret af massive kollisioner i det dybe kosmos er blevet opdaget af to observatorier, det amerikansk-baserede Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), der anvender to detektorer i Washington og Louisiana, og Jomfruinterferometeret nær Pisa, Italien. Begge projekter bruger L-formede bygninger, der huser avancerede laserinterferometre, der kan registrere de små udsving i afstanden, når gravitationsbølger vasker igennem vores planet. LIGO var den første til at opdage de gravitationsbølger, der blev teoretiseret af Einstein for mere end et århundrede siden, og nu arbejder både LIGO og Jomfru i fællesskab for at foretage regelmæssige detektioner af sorte hul- og neutronstjernekollisioner.

I 2017, en anden historisk milepæl blev nået, da både gravitationsbølgerne og gammastråling blev detekteret på samme tid, da to neutronstjerner kolliderede i en galakse 130 lysår væk. Denne begivenhed lancerede en ny æra med "multimessenger -astronomi", der gjorde det muligt for astronomer at lokalisere begivenhedens placering, forstå de fysiske mekanismer bag korte gammastråler, bekræfte, at kolliderende neutronstjerner er synderen, og give et intimt kig på de atomprocesser, der fremstiller tunge grundstoffer (såsom guld og platin) i kosmos.

Lancering af detektorer i rummet

Med disse utrolige fremskridt lettet af vores nye evne til at detektere gravitationsbølger, hvad rummer fremtiden? Godt, hvorfor ikke sende et gravitationsbølgeobservatorium ud i rummet! Som diskuteret i Nature Astronomy -undersøgelsen, den planlagte Laser Interferometer Space Antenna (LISA) vil gøre netop det, og dens ekstreme følsomhed vil give os et helt nyt kig på kosmiske mål, der i øjeblikket gemmer sig i mørket. Et af disse mål vil være binære hvide dværgstjernesystemer, der kan ledsages af eksoplaneter i kredsløb (med masser af 50 jordmasser og større), der ikke kan ses ved hjælp af nuværende exoplanet-detektionsteknikker. Teoretisk set LISA vil være følsom over for gravitationsbølger, der kommer fra hvide dværgbinarier i hele vores galakse.

"LISA vil måle gravitationsbølger fra tusinder af hvide dværgbinarier, "sagde Tamanini." Når en planet kredser om et par hvide dværge, det observerede gravitationsbølgemønster vil se anderledes ud i forhold til det af en binær uden en planet. Denne karakteristiske ændring i gravitationsbølgeformerne vil sætte os i stand til at opdage eksoplaneter. "

Hvide dværge er stjernernes lig af sollignende stjerner, der er løbet tør for brændstof og døde for længe siden. Vores sol vil løbe tør for brændstof om 5 milliarder år eller deromkring, hvilket får det til at svulme op i en oppustet rød kæmpe. Efter den røde kæmpe fase, stjernen vil kaste sine lag varmt plasma, skaber en såkaldt planetarisk tåge, efterlader et lille roterende objekt, der er omtrent på størrelse med Jorden i sit kølvandet. Denne tætte genstand vil derefter blive knust under sin egen enorme tyngdekraft, skaber en klat degenereret stof.

Hvide dværge er godt undersøgt og repræsenterer den sidste, død fase af vores sols liv, men de kan også være uvurderlige objekter i vores stræben efter at finde nye verdener langt ud over solsystemet.

Hvis, for eksempel, to hvide dværge kredser om hinanden som et binært system, de gravitationsforstyrrelser, de skaber, vil fungere som et spinnende barns legetøj i en swimmingpool - krusninger i rumtiden vil forplante sig i alle retninger, transporterer energi væk fra de kredsende stjerner med lysets hastighed. Nuværende gravitationsbølgedetektorer kan kun måle de mest kraftfulde kosmiske sammenstød, men med LISA, disse mere subtile hændelser, der producerer et svagere tyngdekraftsbølgesignal, vil være inden for rækkevidde.

Skjulte fremmede verdener

I øjeblikket, astronomer bruger to primære metoder til at opdage eksoplaneter, der kredser andre stjerner:"radialhastighedsmetoden, "der bruger meget følsomme spektrometre knyttet til teleskoper, der kan registrere Doppler -skiftet forårsaget af en kredsende eksoplanet, og "transitmetoden, "som NASAs Kepler -rumteleskop (og andre) bruger til at opdage det meget lille fald i stjernens lysstyrke, når en verden kredser foran.

Selvom over 4, 000 eksoplaneter er primært blevet opdaget ved hjælp af disse to metoder, nogle exoplaneter forbliver skjulte, og i tilfælde af binære hvide dværge, vi ved lidt om, om de kan værtseksoplaneter. Men, hvis LISA kan måle rum-tids krusninger, der stammer fra disse systemer, det kan også opdage den lille slæbning af eksoplaneter, når de kredser, på en lignende måde som radialhastighedsmetoden måler Doppler -skiftet af elektromagnetiske bølger, kun ved hjælp af gravitationsbølger i stedet.

LISA er et projekt ledet af European Space Agency og er i øjeblikket planlagt til at blive lanceret i 2034. Består af tre rumfartøjer, der flyver i formation, de vil stråle ultrapræcise lasere til hinanden for at skabe et stort ligesidet trekantet laserinterferometer med hvert rumskib adskilt med 2,5 millioner kilometer (2,5 millioner kilometer). LISA vil derfor være et interferometer en million gange større end noget, vi i øjeblikket har, eller nogensinde vil have, på jorden.

"LISA vil målrette mod en exoplanet -befolkning, men alligevel helt uproventeret, "tilføjede Tamanini." Fra et teoretisk perspektiv, intet forhindrer tilstedeværelsen af ​​eksoplaneter omkring kompakte binære hvide dværge. "

Hvis disse binære hvide dværgstjernesystemer også viser sig at være vært for eksoplaneter, de vil hjælpe os med bedre at forstå, hvordan stjernesystemer som vores egne udvikler sig, og om planeter kan overleve, efter at deres binære stjernesystemer er løbet tør for brændstof og døde. Forskerne påpeger også, at de også kunne afsløre, om anden generations exoplaneter (dvs. planeter, der dannes efter den røde kæmpefase) eksisterer.

Ud over gravitationsbølgedetekteringer af exoplaneter, mulighederne er uendelige. Hvis der er noget, den nuværende "nye tidsalder" for gravitationsbølge -astronomi har lært os, fremtidige rumbaserede observatorier som LISA kunne afsløre fænomener, der opstår i mørket, som vi aldrig troede, vi nogensinde ville være vidne til.

Omkring 1, 600 lysår væk fra Jorden, i et binært stjernesystem kaldet J0806, to tætte hvide dværgstjerner kredser om hinanden en gang hvert 321 sekund. Baseret på data fra Chandra røntgenobservatoriet, astronomer mener, at stjernernes allerede super korte orbitalperiode støt og roligt bliver kortere, hvilket i sidste ende vil få de to stjerner til at smelte sammen.