Человечество переживает революцию в астрономии. До недавнего времени мы зависели от электромагнитного спектра (т. е. света), 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 можем анализировать рябь пространства-времени, омывающую нас от столкновений черных дыр и, возможно, инопланетных миров, когда они вращаются вокруг своей орбиты. далекие звезды.
В исследовании, опубликованном 8 июля 2019 года в журнале Nature Astronomy, группа исследователей изучила 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», - сказал Никола Таманини из Института гравитационной физики им. Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна / AEI) в Потсдаме, Германия. заявление.
На данный момент гравитационные волны, генерируемые массовыми столкновениями в глубоком космосе, были обнаружены двумя обсерваториями: расположенной в США Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), которая использует два детектора в Вашингтоне и Луизиане, и Интерферометр Virgo недалеко от Пизы, Италия. В обоих проектах используются здания L-образной формы, в которых размещены передовые лазерные интерферометры, способные обнаруживать мельчайшие колебания расстояния, когда гравитационные волны омывают нашу планету. LIGO был первым, кто обнаружил гравитационные волны, которые теоретизировал Эйнштейн более века назад, и теперь и LIGO, и Virgo работают вместе, чтобы регулярно обнаруживать столкновения черных дыр и нейтронных звезд.
В 2017 году была достигнута еще одна историческая веха, когда гравитационные волны и гамма-излучение были обнаружены одновременно при столкновении двух нейтронных звезд в галактике на расстоянии 130 световых лет. Это событие положило начало новой эре «астрономии с несколькими вестниками», которая позволила астрономам точно определить место события, понять физические механизмы, лежащие в основе коротких гамма-всплесков, подтвердить, что виновниками являются сталкивающиеся нейтронные звезды, а также подробно изучить ядерную природу. процессы, производящие тяжелые элементы (такие как золото и платина) в космосе.
Запуск детекторов в космос
С этими невероятными достижениями, которым способствует наша новая способность обнаруживать гравитационные волны, что нас ждет в будущем? Ну почему бы не запустить в космос гравитационно-волновую обсерваторию! Как обсуждалось в исследовании Nature Astronomy, планируемая космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA) будет делать именно это, а ее чрезвычайная чувствительность даст нам совершенно новый взгляд на космические цели, которые в настоящее время скрываются во тьме. Одной из этих целей будут двойные звездные системы белых карликов, которые могут сопровождаться вращающимися вокруг экзопланетами (с массой в 50 масс Земли и более), которые невозможно увидеть с помощью современных методов обнаружения экзопланет. Теоретически LISA будет чувствительна к гравитационным волнам, исходящим от двойных белых карликов по всей нашей галактике.
«LISA будет измерять гравитационные волны от тысяч двойных систем белых карликов», - сказал Таманини. «Когда планета обращается 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 обнаружить экзопланеты».
Белые карлики - это звездные трупы солнцеподобных звезд, у которых закончилось топливо и которые давно умерли. У нашего Солнца закончится топливо примерно через 5 миллиардов лет, что заставит его раздуться и превратиться в раздутого красного гиганта. После фазы красного гиганта звезда сбросит свои слои горячей плазмы, создав так называемую планетарную туманность, оставив после себя крошечный вращающийся объект размером примерно с Землю. Затем этот плотный объект будет раздавлен собственной огромной гравитацией, создав сгусток дегенеративной материи.
Белые карлики хорошо изучены и представляют собой последнюю, мертвую фазу жизни нашего Солнца, но они также могут быть бесценными объектами в нашем стремлении найти новые миры далеко за пределами Солнечной системы.
Если, например, два белых карлика вращаются вокруг друг друга как бинарная 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 вокруг звезд со скоростью 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 «транзитный метод». метод», который космический телескоп НАСА «Кеплер» (и другие) используют для обнаружения очень небольшого падения яркости звезды, когда планета движется по орбите впереди.
Хотя более 4000 экзопланет были обнаружены главным образом с помощью этих двух методов, некоторые экзопланеты остаются скрытыми, и, в случае с двойными белыми карликами, мы мало знаем о том, могут ли они содержать экзопланеты. Но если LISA сможет измерить пространственно-временную рябь, исходящую от этих систем, она также может обнаружить легкое притяжение экзопланет на их орбитах, подобно тому, как метод радиальной скорости измеряет доплеровский сдвиг электромагнитных волн, только используя гравитационные волны. вместо этого.
LISA - это проект Европейского космического агентства, запуск которого в настоящее время запланирован на 2034 год. Они состоят из трех космических аппаратов, летящих строем, и будут направлять друг на друга сверхточные лазеры, чтобы создать обширный равносторонний треугольный лазерный интерферометр. с каждым космическим кораблем, разделенным на 1,5 миллиона миль (2,5 миллиона километров). Таким образом, LISA будет интерферометром в миллион раз больше, чем все, что у нас есть сейчас или когда-либо будет на Земле.
«LISA собирается нацелиться на население экзопланеты, которое еще полностью не исследовано», - добавил Таманини. «С теоретической точки зрения ничто не препятствует наличию 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 развиваются звездные системы, подобные нашей, и могут ли планеты выжить после того, как их двойные звездные системы исчерпали топливо и умерли. Исследователи также отмечают, что они также могут выяснить, существуют ли экзопланеты второго поколения (то есть планеты, которые формируются после фазы красного гиганта).
Помимо обнаружения экзопланет с помощью гравитационных волн, возможности безграничны. Если и есть что-то, чему нас научила нынешняя «новая эра» гравитационно-волновой астрономии, так это то, что будущие космические обсерватории, такие как LISA, смогут выявить явления, происходящие в темноте, которые мы никогда не думали, что когда-либо станем свидетелями.
Интересно
На расстоянии около 1600 световых лет от Земли в двойной звездной системе, известной как J0806, два плотных белых карлика вращаются вокруг друг друга каждые 321 секунду. Основываясь на данных рентгеновской обсерватории Чандра, астрономы считают, что и без того сверхкороткий период обращения звезд неуклонно сокращается, что в конечном итоге приведет к слиянию двух звезд.