LISA будет искать экзопланеты используя гравитационные волны

Москва, 21:29, 10 Июл 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Человечество переживает революцию в астрономии. До недавнего времени мы зависели от электромагнитного спектра (то есть света), чтобы делать открытия с помощью телескопов. Теперь, с первым историческим обнаружением гравитационных волн 14 сентября 2015 года, нас ждет целая новая Вселенная, в которой мы можем анализировать пространственно-временную рябь, омывающую нас от столкновений черных дыр и, возможно, инопланетных миров, когда они вращаются вокруг своих далеких звезд.

В исследовании, опубликованном 8 июля 2019 г. в журнале «Астрономия природы», группа исследователей изучила последнюю возможность обнаружить экзопланеты, которые в противном случае остались бы невидимыми для традиционных астрономических методов.

«Мы предлагаем метод, который использует гравитационные волны для нахождения экзопланет, которые вращаются вокруг двойных звезд белого карлика», — говорится в заявлении Никола Таманини из Института гравитационной физики им. Макса Планка, Германия.

До сих пор гравитационные волны, генерируемые массивными столкновениями в глубоком космосе, были обнаружены двумя обсерваториями, базирующейся в США LIGO, которая использует два детектора в Вашингтоне и Луизиане, и интерферометром Virgo вблизи Пизы, Италия. В обоих проектах используются L-образные здания, в которых размещены современные лазерные интерферометры, которые могут обнаруживать незначительные колебания расстояния, когда гравитационные волны омывают нашу планету. LIGO был первым, кто обнаружил гравитационные волны, которые теоретизировал Эйнштейн более столетия назад, и теперь и LIGO, и Virgo работают совместно, чтобы регулярно обнаруживать столкновения черных дыр и нейтронных звезд.

В 2017 году был достигнут еще один исторический рубеж, когда гравитационные волны и гамма-излучение были обнаружены одновременно, когда две нейтронные звезды столкнулись в галактике на расстоянии 130 световых лет. Это событие положило начало новой эре «многоадресной астрономии», которая позволила астрономам точно определить местонахождение события, понять физические механизмы, лежащие в основе коротких гамма-всплесков, подтвердить, что сталкивающиеся нейтронные звезды являются виновником, и обеспечить интимный взгляд на ядерную энергию. процессы, которые производят тяжелые элементы (такие как золото и платина) в космосе.

Запуск детекторов в космос

Что ждет нас в будущем благодаря этим невероятным достижениям, которым способствует наша новая способность обнаруживать гравитационные волны? Ну, а почему бы не запустить в космос обсерваторию гравитационных волн! Как обсуждалось в исследовании Астрономии Природы, запланированная 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 массами 50 земных масс и более), которые нельзя увидеть с помощью современных методов обнаружения экзопланет. Теоретически, LISA будет чувствительна к гравитационным волнам, исходящим от двойных карликов по всей нашей галактике.

«LISA будет измерять гравитационные волны от тысяч двоичных файлов белых карликов», — сказал Таманини. «Когда планета вращается вокруг такой пары белых карликов, наблюдаемая гравитационно-волновая картина будет выглядеть иначе, чем у двойной звезды без планеты. Это характерное изменение гравитационно-волновых форм позволит нам обнаружить экзопланеты».

Белые карлики — это звездные трупы похожих на солнце звёзд, у которых кончилось топливо и они давно умерли. Наше Солнце исчерпает топливо через 5 миллиардов лет или около того, что заставит его разрастаться в раздутый красный гигант. После фазы красного гиганта звезда будет терять свои слои горячей плазмы, создавая так называемую планетарную туманность, оставляя после себя крошечный вращающийся объект размером примерно с Землю. Этот плотный объект будет затем раздавлен под действием собственной гравитации, создавая сгусток вырожденной материи.

Белые карлики хорошо изучены и представляют собой конечную 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 двойная система, создаваемые ими гравитационные возмущения будут действовать как вращающаяся детская игрушка в бассейне – создавая рябь в пространстве-времени, которая будет распространяться во всех направлениях, унося энергию от орбитальных звезд в 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 радиальной скорости», который использует очень чувствительные спектрометры, прикрепленные к телескопам, которые могут обнаружить доплеровский сдвиг, вызванный вращающейся экзопланетой, и «метод транзита», который НАСА Космический телескоп Kepler (и другие) используют для обнаружения небольшого падения яркости звезды, когда экзопланета проходит впереди.

Хотя более 4000 экзопланет были обнаружены в основном с помощью этих двух методов, некоторые экзопланеты остаются скрытыми, и в случае двойных белых карликов мы мало знаем о том, могут ли они содержать экзопланеты. Но, если LISA может измерять пространственно-временную рябь, исходящую от этих систем, она также может обнаружить небольшое растяжение экзопланет по мере их обращения, аналогично тому, как метод лучевой скорости измеряет доплеровский сдвиг электромагнитных волн, используя только гравитационные волны.

LISA — это проект, возглавляемый Европейским космическим агентством, который в настоящее время планируется запустить в 2034 году. Состоящий из трех космических кораблей, летящих в строю, они будут излучать ультраточные лазеры друг на друга, создавая огромный равносторонний треугольный лазерный интерферометр, в котором каждый космический аппарат 2,5 миллионами километров. Следовательно, LISA будет интерферометром в миллион раз больше, чем то, что у нас есть или будет на Земле.

«LISA будет нацелена на популяцию экзопланет, но при этом совершенно не подвергнута сомнению», — добавил Таманини. «С теоретической точки зрения ничто не мешает присутствию экзопланет вокруг компактных двойных белых карликов».

Если обнаружится, что эти двойные звездные системы белых карликов также содержат экзопланеты, они помогут нам лучше понять, как развиваются звездные системы, такие как наша собственная, и могут ли планеты выжить после того, как у их двойных звездных систем закончится топливо и они погибнут. Исследователи также указывают на то, что они могут также показать, существуют ли экзопланеты второго поколения (то есть планеты, которые образуются после фазы красного гиганта).

Помимо гравитационно-волновых обнаружений экзопланет, возможности LISA безграничны. Будущие космические обсерватории, такие как LISA, могут выявить явления, происходящие в темноте, о которых мы никогда не думали, что станем их наблюдателями.