引力波可以帮助我们找到星系外行星

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一项新的研究发现,科学家有一天可能会利用空间和时间上的波纹(称为引力波)探测到银河系外的外星行星。
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艺术家对两颗白矮星相互盘旋并发出引力波的描述。
(图片:©/托德·斯特罗迈尔(GSFC)/达娜·贝瑞(钱德拉X射线观测台)

一项新的研究发现,科学家有一天可能会利用空间和时间上的波纹(称为引力波)探测到银河系外的外星行星。

在过去的三十年里,科学家已经确认了地球太阳系外近4200个外星球的存在。天文学家们用分析来自外星球本身或恒星的光的方法探测到这些系外行星。因此,这些策略在很大程度上仅限于探测我们星系中的行星,因为鉴于涉及的距离很远,以及尘埃云和其他障碍,从星系外世界发现光信号的机会很小。

一种可能看到一个星系外行星,被称为HIP 13044b,后来被证明是一个哑弹,其他尚未得到证实。2018年,天文学家确实发现了银河系外流浪行星的证据,但这些只是间接的估计。

现在,研究人员建议,第一颗星系外行星可能不是通过光信号,而是通过引力波信号被探测到的。阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首次预言了引力波的存在。根据他的一般相对论,重力产生于质量扭曲空间和时间的方式,当两个或两个多物体在引力场内移动时,它们会产生引力波,以光速移动,一路上拉伸和挤压时空。

重要的是,阻碍遥远光线到达地球的障碍物通常不会阻碍引力波。但是引力波是极其难以探测到的,因为它们非常弱;甚至爱因斯坦也不确定它们是否真的存在或是否会得到证实。

经过几十年的工作,科学家在2015年利用激光干涉仪引力波观测站(LIGO)发现了第一个引力波的直接证据。 LIGO使用一对探测器,一个在华盛顿汉福德,另一个在路易斯安那州利文斯顿来感应引力波在物质中波涛时造成的扭曲。

每个探测器的形状都像一个巨大的L,腿长约2.5英里(4公里)。每个探测器的腿部通常长度相同,因此激光束在每个探测器上向下行驶的时间相同。然而,如果引力波穿过地球,一个探测器的腿伸展,另一个收缩,在信号的持续时间内切换,大约十万分之一的质子直径。原子钟可以检测激光束在这些情况下压缩探测器腿部的时间分差。

由于LIGO的探测器相距约1900英里(3000公里),因此引力波从一个探测器交叉到另一个探测器可能需要长达10毫秒的时间。科学家可以通过这种到达时间的差异来推断引力波的来向。随着更多引力波探测器在不同地点开发,例如2017年上线在意大利比萨附近的高级处女座探测器,研究人员将更好地精确定位引力波的来源。

目前和计划中的地面引力波观测站对大约60英里(100公里)的波长都敏感;中子星和黑洞的质量高达太阳质量的十几倍。然而,科学家们一直梦想着天基引力波观测站,探测器被很远的距离隔开,可以感知更长的波长。这些信号类型可以追溯到一系列源,包括超大质量黑洞。

天基引力波观测站是欧洲航天局的激光干涉仪空间天线(LISA)任务,计划于2034年发射。LISA将由三颗卫星组成,围绕地球后面的太阳运行。每颗卫星内部都有一个立方体,它将在太空中自由落体,追踪一条只被引力波扰动的路径。这个星座的卫星将仔细监测每个立方体的位置,以寻找时空波纹的迹象。

LISA的每颗卫星都将在数百万英里之外,原则上,LISA将能够探测到波长约为1800万英里(3000万公里)的引力波。科学家认为,这种信号源于质量是太阳质量的1万到1000万倍的黑洞。

科学家还计算出LISA能够探测到数万对白矮星的引力波,白矮星是冷、暗、地球大小的死星核心,在平均大小的恒星耗尽燃料并脱落外层后,这些核心被抛在身后,我们的太阳有一天会成为白矮星,银河系中90%以上的恒星也会变成白矮星。

2019年,新研究的幕后科学家发现,LISA和其他天基引力波观测站可以发现围绕双白矮星的巨型系外行星进入我们的星系,现在,他们确定LISA还可以探测到银河系以外的类似行星系统,特别是在环绕我们银河系的50多个卫星星系中。

研究人员指出,当两个白矮星在数千年内足够接近合并时,两个矮星应该产生一个连续的引力波流,几乎都拥有相同的频率。虽然LISA是活跃的,这可能是10年,天文台可以监测这些引力波流的任何微小的偏差,如那些由围绕这些对运行的巨型行星的引力场造成的偏差。

此前,科学家们发现,LISA可以探测到几百颗质量与木星相当或比木星重的系外行星,前提是这些行星与双白星的两颗白矮星之间的距离小于10个天文单位(AU)。(一个AU是地球和太阳之间的平均距离,大约为9300万英里,即1.5亿公里。

在这项新研究中,科学家们估计LISA可以在银河系最近的卫星星系之一大麦哲伦云中探测到多达几百个双白矮星。例如,对于总质量等于太阳一半的理论二元,其白矮星的轨道彼此距离约为水星和太阳之间的千分之一,他们计算出,LISA可能在四年的观测后开始探测到木星质量13倍的系外行星,而LISA在经过10年的监测后肯定会探测到这样一个世界。

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一位艺术家对太空重力波探测器卫星LISA的描绘。(图片信用:欧空局)

“由于引力波,我们最终能够观测到远离太阳附近的天体,”研究合著者、伦敦大学学院的天体物理学家卡米拉·丹尼尔斯基说道。

未来的天基引力波观测站的灵敏度是LISA的10倍或更强,比如中国科学家设想的阿米戈太空任务,可以探测到一个外行星,其质量是木星质量的4倍,这种双白矮星的观测需要10年。

德国马克斯·普朗克引力物理研究所的天体物理学家尼古拉·塔马尼尼说道,”我们的只是对这种新观测方法的第一批研究。”未来的研究将提供更详细的画面。围绕这种双白矮星的行星,如它们的形成和演化,仍有很多不确定因素。丹尼尔斯基说,未来的研究可能探索不仅在恒星变成白矮星之前形成的行星,而且在恒星成为白矮星之后形成的行星。引力波观测可能有助于揭示这些世界通常拥有什么样的质量和轨道,以揭示这些问题。

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