Планеты вне Млечного пути будут искать по волнам

Опубликованно 17.08.2020 14:33

За последние три десятилетия ученые подтвердили существование почти 4200 планет за пределами Солнечной системы Земли. Астрономы обнаружили экзопланеты, используя методы, которые анализировали свет либо от самих миров, либо от их звезд. Таким образом, эти стратегии в основном ограничены обнаружением планет в нашей галактике, поскольку шансы обнаружить световые сигналы из других галактик очень малы, учитывая огромные расстояния, а также промежуточные облака пыли и другие препятствия.

Одно возможное наблюдение внегалактической планеты, получившее название HIP 13044b, позже оказалось неудачным, а другие еще предстоит подтвердить. В 2018 году астрономы обнаружили доказательства существования планет-изгоев за пределами Млечного пути, но это были лишь косвенные оценки.

Теперь исследователи предполагают, что первые внегалактические планеты могут быть обнаружены не по световым сигналам, а по сигналам гравитационных волн. Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование гравитационных волн в 1916 году. Согласно его общей теории относительности, гравитация является результатом того, как масса искривляет пространство и время. Когда два или более объекта движутся в гравитационном поле, они создают гравитационные волны, которые движутся со скоростью света, растягивая и сжимая пространство-время на своем пути.

Важно отметить, что препятствия, которые блокируют очень далекий свет от Земли, обычно не препятствуют гравитационным волнам. Но гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить, потому что они чрезвычайно слабы; даже Эйнштейн не был уверен, существуют ли они на самом деле или будут ли они подтверждены.

После десятилетий работы ученые обнаружили первое прямое свидетельство существования гравитационных волн в 2015 году с помощью лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO). LIGO использует пару детекторов - один в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана, - чтобы обнаруживать искажения, которые вызывают гравитационные волны, когда они проходят через материю.

Каждый детектор имеет форму гигантской буквы L с ножками длиной около 4 километров. Ножки каждого детектора обычно имеют одинаковую длину, поэтому лазерным лучам требуется одинаковое количество времени для прохождения каждой из них. Однако, если гравитационные волны проходят через Землю, одна нога детектора растягивается, а другая сжимается, переключаясь на время сигнала, примерно на одну десятитысячную диаметра протона. Атомные часы могут обнаруживать разницу во времени в доли секунды, необходимого лазерным лучам, чтобы достигнуть ножки детектора в этих условиях.

Поскольку детекторы LIGO находятся на расстоянии около 3 000 км друг от друга, гравитационная волна может пройти до 10 миллисекунд, чтобы перейти от одного детектора к другому. Ученые могут использовать эту разницу во времени прибытия, чтобы определить, откуда берутся гравитационные волны. По мере того, как в разных местах разрабатывается больше детекторов гравитационных волн, таких как усовершенствованный детектор Virgo недалеко от Пизы, Италия, который был запущен в 2017 году, исследователи будут лучше определять источники гравитационных волн.

Все существующие и планируемые наземные гравитационно-волновые обсерватории чувствительны к длинам волн около 100 км; нейтронные звезды и черные дыры, масса которых в несколько десятков раз превышает массу Солнца, создают этот тип сигнала. Однако ученые давно мечтают о космических обсерваториях гравитационных волн с детекторами, разделенными огромными расстояниями, которые могли бы определять даже более длинные волны. Эти типы сигналов восходят к целому ряду источников, включая сверхмассивные черные дыры.

Одна из разрабатываемых космических обсерваторий гравитационных волн - это космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA) Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2034 год. LISA будет состоять из трех спутников, находящихся на орбите вокруг Солнца позади Земли. Внутри каждого спутника будет куб, который будет свободно падать в космосе, отслеживая путь, нарушаемый только гравитационными волнами. Это созвездие спутников будет внимательно следить за положением каждого куба в поисках признаков пространственно-временной ряби.

Каждый из спутников LISA будет удален друг от друга на миллионы миль. В принципе, LISA сможет обнаруживать гравитационные волны с длинами волн около 30 миллионов км. По мнению ученых, такие сигналы возникают в результате слияния черных дыр, которые от 10 000 до 10 миллионов раз больше массы Солнца.

Ученые также подсчитали, что LISA сможет обнаруживать гравитационные волны от десятков тысяч пар белых карликов. Белые карлики - это холодные тусклые ядра мертвых звезд размером с Землю, которые остались после того, как звезды среднего размера исчерпали свое топливо и сбросили свои внешние слои. Наше Солнце однажды станет белым карликом, как и более 90% других звезд Млечного Пути.

В 2019 году те же ученые, стоящие за новым исследованием, обнаружили, что LISA и другие космические гравитационные волновые обсерватории могут обнаруживать гигантские экзопланеты, вращающиеся вокруг двойных белых карликов внутри нашей галактики. Теперь они определили, что LISA может также обнаруживать подобные планетные системы за пределами Млечного Пути, особенно в пределах более чем 50 спутниковых галактик, вращающихся вокруг нашей галактики.

Исследователи отметили, что когда два белых карлика находятся достаточно близко, чтобы слиться в течение тысячелетий, пара должна генерировать непрерывный поток гравитационных волн, которые почти все имеют одинаковую частоту. Пока LISA активен, который может длиться до 10 лет, обсерватория может отслеживать эти потоки гравитационных волн на предмет любых крошечных отклонений, например, вызванных гравитационными полями планет-гигантов, вращающихся вокруг этих пар.

“Благодаря гравитационным волнам мы, наконец, сможем наблюдать такие объекты вдали от Солнца“, - сказала соавтор исследования Камилла Даниэльски, астрофизик из Университетского колледжа Лондона.

Будущие космические гравитационно-волновые обсерватории с чувствительностью в 10 или более раз, чем LISA, такие как космическая миссия AMIGO, задуманная китайскими учеными, смогут обнаружить экзопланету, в четыре раза превышающую массу Юпитера, вращающуюся вокруг такого двойного белого карлика, за 10 лет наблюдений.

“Наши исследования - это только первые исследования этого нового метода наблюдений“, - сказал соавтор исследования Никола Таманини, астрофизик из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии. “Дальнейшие исследования дадут более подробную картину“.

Многое остается неясным относительно планет вокруг таких двойных белых карликов, таких как их формирование и эволюция. Будущие исследования могут исследовать планеты, которые сформировались не только до того, как звезды стали белыми карликами, но и после, сказал Даниэльски. Наблюдения за гравитационными волнами могут помочь пролить свет на эти вопросы, выявив, какими массами и орбитами обычно обладают эти планеты.

Напомним, ранее сообщалось, что гравитационные волны не смогли доказать наличие других измерений.

Хотите знать важные и актуальные новости раньше всех? Подписывайтесь на Bigmir)net в Facebook и Telegram.

Категория: Наука