發現系外行星：未來引力波探測器的新用途！

目前已知有4000多顆系外行星圍繞其他恆星運行。事實上，天文學家懷疑這樣的世界是普遍存在的，平均而言，銀河系中的每顆恆星至少有一個行星伴侶。但問題就在這裡：儘管系外行星似乎無處不在，但「無處不在」在描述天文學家實際觀測過的地方時，卻遠非事實。絕大多數的系外行星調查都是圍繞著離太陽很近的恆星或離太陽更遠的恆星展開的，這些恆星位於銀河系中央星系隆起的方向。說實話，目前還沒有人知道銀河系中行星的真正數量，也沒有人知道銀河系以外其他星系中行星的數量。

根據7月8日發表在《自然天文學》（Nature Astronomy）雜誌上的一項研究，隨著歐洲航天局（European Space Agency） LISA任務的啟動，完成這次系外行星普查的重要一步可能從2034年開始。LISA任務的主要目的是通過尋找排列在一個長250萬公裡的三角形星座內的三顆衛星之間距離的微小變化，來探測太空-時間-重力波中的漣漪。LISA將被定製用來接收超大質量黑洞合併產生的引力波，但它顯然也能接收一些系外行星系統發出的引力波。

尼古拉·塔馬尼尼（Nicola Tamanini）是最近這項研究的合作者之一，也是德國波茨坦馬普引力物理研究所的天體物理學家。他說：「在條件最佳的情況下，LISA應該可以讓我們在整個銀河系、麥哲倫星雲甚至仙女座星系進行探測。」

探測的工作原理是這樣的：當兩顆恆星形成一個雙星系統時，它們在嚴格意義上說並不圍繞對方運行；相反，它們圍繞一個共同的質心公轉。如果一個行星的身體存在於這樣一個系統中，行星的引力影響將會擾動這個質心，導致它周期性地來回擺動，與行星的來回拉扯同步。這種擺動的強度可以提供對這顆行星質量的估計，隨著時間的推移，它的重複出現將揭示出這顆行星的軌道周期。對於光學望遠鏡來說，這種擺動幾乎總是太小而無法被觀測到。但是可以看出，這種擺動是對雙星系統引力波的一種微妙的周期性調製。對於這類雙星系統——由兩顆白矮星組成，燃燒殆盡的類日恆星殘骸——這樣的調製應該可以被LISA探測到。

塔瑪尼尼說，天文學家已經知道有大量的白矮星雙星系統存在，僅在我們的星系中就能看到成千上萬個這樣的系統。事實上，這類系統產生的引力波將被用來校準任務的觀測結果，也可以確保麗薩能監聽到。他說，即使銀河系中只有1%的白矮星雙星上有行星，LISA也應該能找到數百個這樣的行星。

約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）天體物理學博士生、麗薩聯盟（LISA Consortium）成員Kaze Wong對這項發現表示歡迎。她沒有參與最近的這項研究。他說：「以前的研究著眼於利用引力波探測圍繞單一恆星運行的系外行星的可能性，但我們所做的工作表明，這種組合產生的引力波太弱，無法探測到。」Wong說，這種方法顯示出更多的希望，因為白矮星雙星產生的引力波比一顆圍繞孤星旋轉的行星產生的引力波要強大得多。「一旦探測到引力波，」他說，「我們就可以用電磁儀器對準它們，確定系外行星源的進一步細節。」

儘管這種新方法很有希望探測整個銀河系乃至其他鄰近星系的行星，但天文學家仍將努力對這些新發現的行星有更多的了解。除了最初的引力波探測所提供的軌道周期和質量估計之外，用傳統望遠鏡進行的後續觀測或許可以確定一顆行星的精確質量、大小和其他軌道參數。

此外，這項技術不太可能發現任何適合居住的類地行星。白矮星本質上是恆星的屍體，是類太陽恆星耗盡核燃料後留下的緩慢冷卻的核心。但在一顆恆星變成白矮星之前，它首先會經歷一個紅巨星階段，在這個階段，它的體積會膨脹，膨脹到足以燒焦甚至吞噬任何靠近它的行星。因此，Wong說，任何倖存的星球都可能是不適合居住的——那些產生最強引力波信號的星球將會不舒服地靠近它們的白矮星宿主。更重要的是，LISA根本無法保證能找到任何系外行星——因為我們對世界是否能在如此極端的雙星系統中出現、如何出現以及如何持續存在知之甚少。

但丹尼爾斯基指出，即使沒有在白矮星雙星周圍發現行星，這一空白結果仍將為行星進化提供有用的洞見。

「到目前為止，還沒有人想過用這樣的雙星系統來模擬系外行星，」她說，「所以我們對它們的存在知之甚少。」「發現這些行星將表明，這樣的世界能夠以某種方式生存——或者從恆星的死亡中復活。在銀河系的任何地方，如果一個行星都找不到，就會給我們帶來一個新的限制。在一個被認為充滿了可以探索的世界的宇宙中，知道不去看哪裡是一件很有用的事情。

丹尼爾斯基說：「最終，以這種方式利用LISA，我們將確定整個銀河系的行星形成。」