Планети за межами Чумацького шляху будуть шукати по хвилях

Опубликованно 14.08.2020 07:27

За останні три десятиліття вчені підтвердили існування майже 4200 планет за межами Сонячної системи Землі. Астрономи виявили екзопланети, використовуючи методи, які аналізували світло або від самих світів, або від їхніх зірок. Таким чином, ці стратегії в основному обмежені виявленням планет в нашій галактиці, оскільки шанси виявити світлові сигнали з інших галактик дуже малі, враховуючи величезні відстані, а також проміжні хмари пилу і інші перешкоди.

Одне можливе спостереження позагалактичної планети, що отримало назву HIP 13044b пізніше виявилося невдалим, а інші ще належить підтвердити. У 2018 році астрономи виявили докази існування планет-ізгоїв за межами Чумацького шляху, але це були лише непрямі оцінки.

Тепер дослідники припускають, що перші внегалактические планети можуть бути виявлені не за світловим сигналами, а за сигналами гравітаційних хвиль. Альберт Ейнштейн вперше передбачив існування гравітаційних хвиль в 1916 році. Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація є результатом того, як маса викривляє простір і час. Коли два або більше об'єкти рухаються в гравітаційному полі, вони створюють гравітаційні хвилі, які рухаються зі швидкістю світла, розтягуючи і стискаючи простір-час на своєму шляху.

Важливо зазначити, що перешкоди, які блокують дуже далекий світло від Землі, зазвичай не перешкоджають гравітаційних хвиль. Але гравітаційні хвилі надзвичайно важко виявити, тому що вони надзвичайно слабкі; навіть Ейнштейн не був упевнений, чи існують вони насправді чи будуть вони підтверджені.

Після десятиліть роботи вчені виявили перше пряме свідчення існування гравітаційних хвиль в 2015 році з допомогою лазерної інтерферометричної обсерваторії гравітаційних хвиль (LIGO). LIGO використовує пару детекторів - один в Хэнфорде, штат Вашингтон, а інший в Лівінгстоні, штат Луїзіана, - щоб виявляти спотворення, які викликають гравітаційні хвилі, коли вони проходять через матерію.

Кожен детектор має форму гігантської букви L з ніжками довжиною близько 4 кілометрів. Ніжки кожного детектора зазвичай мають однакову довжину, тому лазерних променів потрібно однакову кількість часу для проходження кожної з них. Однак, якщо гравітаційні хвилі проходять через Землю, одна нога детектора розтягується, а інша стискається, перемикаючись на час сигналу, приблизно на одну десятитисячну діаметра протона. Атомні годинники можуть виявляти різницю в часі в частки секунди, необхідного лазерних променів, щоб досягти ніжки детектора в цих умовах.

Оскільки детектори LIGO знаходяться на відстані близько 3 000 км один від одного, гравітаційна хвиля може пройти до 10 мілісекунд, щоб перейти від одного детектора до іншого. Вчені можуть використовувати цю різницю в часі прибуття, щоб визначити, звідки беруться гравітаційні хвилі. По мірі того, як в різних місцях розробляється більше детекторів гравітаційних хвиль, таких як вдосконалений детектор Virgo недалеко від Пізи, Італія, який був запущений в 2017 році, дослідники будуть краще визначати джерела гравітаційних хвиль.

Всі існуючі та плановані наземні гравітаційно-хвильові обсерваторії чутливі до довжинам хвиль близько 100 км; нейтронні зірки і чорні діри, маса яких у кілька десятків разів перевищує масу Сонця, створюють цей тип сигналу. Проте вчені давно мріють про космічні обсерваторіях гравітаційних хвиль з детекторами, розділені величезними відстанями, які могли б визначати навіть більш довгі хвилі. Ці типи сигналів сходять до цілого ряду джерел, включаючи надмасивні чорні діри.

Одна з розроблюваних космічних обсерваторій гравітаційних хвиль - це космічна антена з лазерним інтерферометром (LISA) Європейського космічного агентства, запуск якої запланований на 2034 рік. LISA буде складатися із трьох супутників, що знаходяться на орбіті навколо Сонця позаду Землі. Всередині кожного супутника буде куб, який буде вільно падати в космосі, відстежуючи шлях, порушується лише гравітаційними хвилями. Це сузір'я супутників буде уважно стежити за положенням кожного куба в пошуках ознак просторово-часової брижів.

Кожен з супутників LISA буде вилучений друг від друга на мільйони миль. В принципі, LISA зможе виявити гравітаційні хвилі з довжинами хвиль близько 30 мільйонів км. На думку вчених, такі сигнали виникають в результаті злиття чорних дір, які від 10 000 до 10 мільйонів разів більше маси Сонця.

Вчені також підрахували, що LISA зможе виявити гравітаційні хвилі від десятків тисяч пар білих карликів. Білі карлики - це холодні тьмяні ядра мертвих зірок розміром з Землю, які залишилися після того, як зірки середнього розміру вичерпали своє паливо і скинули свої зовнішні шари. Наше Сонце одного разу стане білим карликом, як і більше 90% інших зірок Чумацького Шляху.

У 2019 році ті ж вчені, які стоять за новим дослідженням, виявили, що LISA та інші космічні гравітаційні хвильові обсерваторії можуть виявляти гігантські екзопланети, що обертаються навколо подвійних білих карликів всередині нашої галактики. Тепер вони визначили, що LISA може також виявляти подібні планетні системи за межами Чумацького Шляху, особливо в межах більш ніж 50 супутникових галактик, що обертається навколо нашої галактики.

Дослідники зазначили, що коли дві білих карлики знаходяться достатньо близько, щоб злитися протягом тисячоліть, пара повинна генерувати безперервний потік гравітаційних хвиль, які майже всі мають однакову частоту. Поки LISA активний, який може тривати до 10 років, обсерваторія може відслідковувати ці потоки гравітаційних хвиль на предмет будь-яких крихітних відхилень, наприклад, викликані гравітаційними полями планет-гігантів, які обертаються навколо цих пар.

“Завдяки гравітаційним хвилях ми, нарешті, зможемо спостерігати такі об'єкти вдалині від Сонця“, - сказала співавтор дослідження Камілла Даниэльски, астрофізик з Університетського коледжу Лондона.

Майбутні космічні гравітаційно-хвильові обсерваторії з чутливістю в 10 або більше разів, ніж LISA, такі як космічна місія AMIGO, задумана китайськими вченими, які зможуть виявити екзопланету, що в чотири рази перевищує масу Юпітера, вона обертається навколо такого подвійного білого карлика, за 10 років спостережень.

“Наші дослідження - це тільки перші дослідження цього нового методу спостережень“, - сказав співавтор дослідження Нікола Таманини, астрофізик з Інституту гравітаційної фізики Макса Планка в Німеччині. “Подальші дослідження дадуть більш детальну картину“.

Багато чого залишається неясним щодо планет навколо таких подвійних білих карликів, таких як формування й еволюція. Майбутні дослідження можуть досліджувати планети, які сформувалися не тільки до того, як зірки стали білими карликами, але і після, сказав Даниэльски. Спостереження за гравітаційними хвилями можуть допомогти пролити світло на ці питання, виявивши, якими масами і орбітами зазвичай мають ці планети.

Нагадаємо, раніше повідомлялося, що гравітаційні хвилі не змогли довести наявність інших вимірів.

Хочете знати важливі та актуальні новини раніше за всіх? Підписуйтесь на Bigmir)net на Facebook і Telegram.

Категория: Обо всем