引力波或许可以帮助我们找到银河系外的行星

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一项新研究发现,科学家有朝一日大概能行使宇宙中的“时空涟漪”——引力波——探测到银河系外的行星。

在过去30年里,科学家已经证实在地球所处的太阳系以外存在着近4200颗行星。探测这些系外行星的技巧,一是剖析这些行星本身发出的光,二是探测其母恒星发出的光。究竟上,这些技巧根基上都范围于探测银河系内的行星;考虑到涉及的渺远距离以及大量的灰尘云和其余障碍物,探测星河系外行星的光灯号的机会很苍茫。

天文学家曾经观测到一颗可能存在于星河系以外的行星,并命名为HIP 13044b。这颗行星的母恒星HIP13044存在于珍珠星流中,而该星流是大概60到90亿年前被星河系兼并的矮星系形成的。后续的研究评释此前的观测有误,这颗恒星现实上并不拥有行星。其余可能的星河系外行星另有待证实。2018年,天文学家确实发现了星河系外存在“飘泊行星”的证据,但都只是间接的校验。

在这项新研究中,研究人员提出,未来我们很可能会通过引力波灯号,而不是光灯号来探测星河系外行星。爱因斯坦在1916年初次预言了引力波的存在。凭据他的广义比较论,引力来自于质量歪曲空间和时间的方法。当两个或两个以上的物体在一个引力场内运动时,它们会产生以光速传播的引力波,并在运动过程中拉伸和挤压时空。

引力波或许可以帮助我们找到银河系外的行星-第1张图片-IT新视野

环节的是,那些阻碍渺远亮光到达地球的障碍通常不会阻碍引力波。但是,引力波很微弱,因而极端难以探测;即便是爱因斯坦也不确定引力波是否真的存在,或是能否被证实。

经过几十年的努力,科学家在2015年通过激光干涉引力波天文台(LIGO)发现了引力波存在的第一个直接证据。LIGO使用两个险些完全相像的干涉仪——一个在华盛顿州的汉福德,另一个在路易斯安那州的利文斯顿——来探测引力波在物质中传播时所引起的歪曲。

这两个干涉仪的形状都像一个庞大的“L”,干涉臂的长度大概4千米。每个探测器的干涉臂长度大凡同样的,所以激光束在每个探测器上传播所需的时间也是同样的。然而,当引力波穿过地球时,探测器的一支臂就会舒展,另一支臂则会收缩;在引力波灯号连接的时间内,就会出现小至质子直径的千分之一左右的长度变更。在这种情况下,原子钟可以探测到激光束在探测器干涉臂上反射所需时间的瞬间差异。

由于LIGO的探测器之间相距大概3000千米,引力波从一个探测器穿过到另一个探测器可能需求10毫秒。科学家可以行使激光束到达时间的差异来推断引力波的来源。跟着世界各地越来越多的引力波探测器投入使用,研究人员将能更好地确定引力波的来源。好比,意大利比萨左近的先进室女座探测器于2017年上线,拥有比初期室女座干涉仪探测器10倍以上的灵敏度。

目前及决策中的地基引力波天文台都是对波长在100千米左右的波段敏感;中子星和质量是太阳几十倍的黑洞往往会产生这种灯号。然而,天文学家一直梦想着在太空建立引力波观测站,这些观测站的探测器距离更远,可以探测到更长的波长。这些引力波灯号可以追溯到一系列的来源,包含超大质量黑洞。

欧洲空间局的激光干涉仪空间天线(LISA)任务即是一个开发中的天基引力波天文台,决策于2034年发射。LISA将由三个相像的航天器构成,每两个航天器之间的夹角为60度,并接纳与地球相像的日心轨道。每个航天器里面都有一个立方体,可以沿着一条仅受引力波搅扰的路径解放下落。这组航天器将密切监测每个立方体的位置,以寻找时空涟漪的迹象。

LISA的每颗卫星彼此之间都将有数百万千米的距离。准则上,LISA将能够探测波长大概为3000万公里的引力波。天文学家相信,这样的灯号未来自质量为太阳1万到1千万倍的黑洞的合并事件。

天文学家的计较结果还表现,LISA将能够探测到来自数万对白矮星的引力波。白矮星是殒命恒星的焦点,温度较低,十分黯淡暗,大小与地球相当。它们是中等大小的恒星耗尽燃料并落空外层后遗留下来的。太阳有朝一日也会变成白矮星,而星河系中90%以上的其余恒星也会云云。

引力波或许可以帮助我们找到银河系外的行星-第2张图片-IT新视野

2019年,介入这项新研究的天文学家发现,LISA和其余基于太空的引力波天文台可以观测到缠绕星河系中双白矮星运转的庞大系外行星。现在他们确定,LISA也能够探测到星河系外相似的行星系统,特别是在50多个缠绕星河系运转的卫星星系内。

研究人员指出,当两颗白矮星的距离足够近,足以在数千年内合并时,这对白矮星将产生一股险些具备相像频率的连续引力波流。LISA在运转时代(可能长达10年)可以监测这些引力波流的任何细小偏差,其中少许偏差可能即是由缠绕这些成对白矮星运转的庞大行星的引力场造成的。

此前,天文学家发现,LISA可以探测到数百颗质量与木星相当或大于木星的系外行星,前提是这些行星与它们缠绕的成对白矮星之间的距离小于10个天文单元(AU)。一个天文单元即地球和太阳之间的平均距离,大概为1.5亿公里。

在这项新研究中,天文学家预计LISA可以在大麦哲伦星云中探测到数百对白矮星。大麦哲伦星云是星河系最近的卫星星系之一。在表面上,若双白矮星的总质量相当于太阳的一半,其彼此的轨道距离就大概为水星和太阳之间距离的千分之一;研究人员的计较结果表现,经过4年的探测,LISA可能就会探测到一颗质量为木星13倍的系外行星;而若探测时间到达10年,LISA肯定会发现这样这样一颗星河系外行星。

该研究的合著者、伦敦大学学院的天体物理学家卡米拉·丹尼尔斯基(Camilla Danielski)说:“通过引力波,我们大概最终能在远离太阳系的地方观测到这些天体。”

未来的天基引力波天文台,好比中国科学家设想的AMIGO太空任务,其灵敏度为LISA的10倍或更高;可能需求10年的观测时间,才气探测到质量为木星4倍、绕着双白矮星运转的系外行星。

“我们的研究只是对这种新观测技巧的第一次研究,”该研究的合著者、德国马普引力物理研究所的天体物理学家尼古拉·塔玛尼尼(Nicola Tamanini)说,“未来的研究将提供更详细的图景。”

缠绕这类双白矮星的行星另有许多不确定的疑问,好比它们的形成和演变。丹尼尔斯基表示,未来的研究可能探索的,将不但是在恒星变成白矮星之前的行星,也将包含在恒星变成白矮星之后形成的行星。引力波观测可能有助于为解答这些疑问提供线索,因为这可以揭示这些行星通常具备什么样的质量和轨道。7月14日的《国际现代物理杂志D》(Journal of Modern Physics D)上详细介绍了这项新研究的发现。

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