Человечество переживает революцию в астрономии . До недавнего времени мы полагались на электромагнитный спектр (то есть свет), чтобы делать открытия от заднего двора нашей солнечной системы до самых дальних уголков космоса с помощью телескопов. Теперь, с первым историческим обнаружением гравитационных волн 14 сентября 2015 года, нас ждет совершенно новая вселенная, в которой мы сможем анализировать пространственно-временную рябь, омывающую нас от столкновений черных дыр и, возможно, инопланетных миров, вращающихся вокруг них. далекие звезды.
В исследовании, опубликованном 8 июля 2019 года в журнале Nature Astronomy , группа исследователей изучала последнюю возможность обнаружения внесолнечных планет или экзопланет, которые в противном случае остались бы невидимыми для традиционных астрономических методов.
«Мы предлагаем метод, который использует гравитационные волны для поиска экзопланет, вращающихся вокруг двойных белых карликов», - говорится в заявлении Никола Таманини из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна / AEI) в Потсдаме, Германия .
На данный момент гравитационные волны, генерируемые массивными столкновениями в глубоком космосе, были обнаружены двумя обсерваториями: лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO), которая использует два детектора в Вашингтоне и Луизиане, и интерферометром Девы недалеко от Пизы. Италия. В обоих проектах используются L-образные здания, в которых размещены современные лазерные интерферометры, которые могут обнаруживать мельчайшие колебания расстояния, когда гравитационные волны проходят через нашу планету. LIGO был первым, кто обнаружил гравитационные волны, которые теоретизировал Эйнштейн более века назад, и теперь LIGO и Virgo работают вместе, чтобы регулярно обнаруживать столкновения черных дыр и нейтронных звезд.
В 2017 году была достигнута еще одна историческая веха, когда и гравитационные волны, и гамма-излучение были обнаружены одновременно, когда две нейтронные звезды столкнулись в галактике, находящейся на расстоянии 130 световых лет. Это событие положило начало новой эре «многопользовательской астрономии», которая позволила астрономам точно определить место происшествия, понять физические механизмы, лежащие в основе коротких гамма-всплесков, подтвердить, что сталкивающиеся нейтронные звезды являются виновниками, и дать возможность более пристально взглянуть на ядерную энергетику. процессы, которые производят тяжелые элементы (такие как золото и платина) в космосе.
Запуск детекторов в космос
Что ждет нас в будущем с учетом этих невероятных достижений, которым способствовала наша новая способность обнаруживать гравитационные волны? Почему бы не запустить в космос обсерваторию гравитационных волн! Как обсуждалось в исследовании Nature Astronomy, планируемая космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) сделает именно это, а ее чрезвычайная чувствительность даст нам совершенно новый взгляд на космические цели, которые в настоящее время скрываются в темноте. Одной из этих целей будут двойные звездные системы белых карликов, которые могут сопровождаться вращающимися экзопланетами (с массой 50 масс Земли и более), которые нельзя увидеть с помощью современных методов обнаружения экзопланет. Теоретически LISA будет чувствителен к гравитационным волнам, исходящим от двойных белых карликов по всей нашей галактике.
«LISA будет измерять гравитационные волны от тысяч двойных белых карликов», - сказал Таманини. «Когда планета вращается вокруг такой пары белых карликов, наблюдаемая картина гравитационных волн будет выглядеть иначе, чем у двойной системы без планеты. Это характерное изменение форм гравитационных волн позволит нам открывать экзопланеты».
Белые карлики - это звездные трупы подобных солнцу звезд, у которых закончилось топливо и которые давно умерли. У нашего Солнца закончится топливо примерно через 5 миллиардов лет, в результате чего оно превратится в раздутого красного гиганта. После фазы красного гиганта звезда сбросит слои горячей плазмы, создав так называемую планетарную туманность, оставив за собой крошечный вращающийся объект размером примерно с Землю. Затем этот плотный объект будет раздавлен собственной огромной гравитацией, создав сгусток вырожденной материи.
Белые карлики хорошо изучены и представляют последнюю, мертвую фазу жизни нашего Солнца, но они также могут быть бесценными объектами в наших поисках новых миров далеко за пределами Солнечной системы.
Если, например, два белых карлика вращаются вокруг друг друга как двойная система, создаваемые ими гравитационные возмущения будут действовать как вращающаяся детская игрушка в бассейне - рябь в пространстве-времени будет распространяться во всех направлениях, унося энергию от вращающихся звезд на скорость света. Современные детекторы гравитационных волн могут измерять только самые мощные космические столкновения, но с LISA эти более тонкие события, которые производят более слабый сигнал гравитационных волн, будут в пределах досягаемости.
Скрытые инопланетные миры
В настоящее время астрономы используют два основных метода для обнаружения экзопланет, вращающихся вокруг других звезд: «метод лучевой скорости», который использует очень чувствительные спектрометры, прикрепленные к телескопам, которые могут обнаруживать доплеровский сдвиг, вызванный вращающейся экзопланетой, и «метод транзита», который используется НАСА. Космический телескоп Кеплера (и другие) используют для обнаружения очень небольшого падения яркости звезды, когда мир движется впереди по орбите.
Хотя с помощью этих двух методов было обнаружено более 4000 экзопланет, некоторые экзопланеты остаются скрытыми, и в случае двойных белых карликов мы мало знаем о том, могут ли они содержать экзопланеты. Но если LISA сможет измерить пространственно-временную рябь, исходящую от этих систем, он также может обнаружить небольшое притяжение экзопланет на орбите, подобно тому, как метод радиальной скорости измеряет доплеровский сдвиг электромагнитных волн, только используя гравитационные волны. вместо.
LISA - это проект, возглавляемый Европейским космическим агентством, запуск которого в настоящее время запланирован на 2034 год. Состоящий из трех космических кораблей, летящих в строю, они будут излучать сверхточные лазеры друг на друга, чтобы создать огромный равносторонний треугольный лазерный интерферометр, в котором каждый космический корабль разделен расстоянием между ними. 1,5 миллиона миль (2,5 миллиона километров). Таким образом, LISA станет интерферометром в миллион раз больше, чем все, что у нас есть сейчас или когда-либо будет на Земле.
«LISA будет нацелена на популяцию экзопланет, но пока еще полностью не исследована», - добавил Таманини. «С теоретической точки зрения ничто не препятствует присутствию экзопланет вокруг компактных двойных белых карликов».
Если будет обнаружено, что в этих двойных звездных системах белых карликов также находятся экзопланеты, они помогут нам лучше понять, как эволюционируют такие звездные системы, как наша, и могут ли планеты выжить после того, как в их двойных звездных системах закончилось топливо и они погибли. Исследователи также отмечают, что они также могут выявить, существуют ли экзопланеты второго поколения (то есть планеты, которые формируются после фазы красных гигантов).
Помимо обнаружения экзопланет с помощью гравитационных волн, возможности безграничны. Если есть чему-то, чему нас научила нынешняя «новая эра» гравитационно-волновой астрономии, то будущие космические обсерватории, такие как LISA, могут выявить явления, происходящие в темноте, которые мы никогда не думали, что когда-либо станем свидетелями.
Вот это интересно
На расстоянии около 1600 световых лет от Земли, в двойной звездной системе, известной как J0806, две плотные белые карлики обращаются друг за другом каждые 321 секунду. Основываясь на данных рентгеновской обсерватории Чандра, астрономы полагают, что и без того сверхкороткий орбитальный период звезд неуклонно сокращается, что в конечном итоге приведет к слиянию двух звезд.
