星系外行星?引力波可以幫助我們找到它們

2020-08-10 流芳科學

一項新的研究發現,科學家可能有一天會利用空間和時間的波動(稱為引力波)在銀河系外發現外星行星。在過去的三十年中,科學家們已經確認了地球太陽系之外存在近4,200個世界。天文學家使用分析來自世界本身或其恆星的光的方法檢測到了這些系外行星

因此,由於涉及的距離太遠以及塵埃雲和其他障礙物的幹擾,這些策略在很大程度上限制了我們銀河系中的行星的探測,因為從銀河外世界發現光信號的機會很小。 後來發現有人發現了一顆名為「 HIP 13044b 」的銀河系外行星,但後來被證實是啞巴,還有待確認。2018年,天文學家確實在銀河系之外發現了流氓行星的證據,但這只是間接估計。

  • 藝術家描繪的兩顆白矮星彼此環繞並散發出引力波。圖片:©NASA / Tod Strohmayer(GSFC)/ Dana Berry(錢德拉X射線天文臺))

現在,研究人員建議,最早的銀河系外行星可能不是通過光信號而是通過引力波信號被發現的。阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)於1916年首次預測了引力波的存在。根據他的廣義相對論,引力來自質量扭曲空間和時間的方式。當兩個或多個物體在引力場中移動時,它們會產生引力波,它們以光速傳播,並沿時空拉伸並壓縮時空。

重要的是,阻擋很遠距離的光線到達地球的障礙通常不會阻礙重力波。但是引力波極其微弱,因此很難檢測到。甚至愛因斯坦也不確定它們是否確實存在或將被證實。經過數十年的努力,科學家在2015年利用雷射幹涉儀重力波天文臺(LIGO)發現了引力波的第一個直接證據。LIGO使用一對探測器(一個在華盛頓州漢福德,另一個在路易斯安那州利文斯頓)來檢測引力波在物質中波動時引起的畸變。

  • 利用雷射束,科學家可以檢測到由於引力波通過而引起的物理變形。圖片:©信息圖表藝術家Karl Tate)

每個探測器的形狀像一個巨大的L形,腿長約2.5英裡(4公裡)。每個檢測器的支腳通常具有相同的長度,因此雷射束沿每個檢測器向下傳播所需的時間相同。但是,如果重力波穿過地球,則一個檢測器支腳會拉伸,而另一條檢測器支腳會收縮,從而在信號持續時間內切換,其質量約為質子直徑的千分之一。在這些情況下,原子鐘可以檢測到雷射束沿探測器腿向下滑動所需的時間差。

因為LIGO的探測器相距約1,900英裡(3,000公裡),所以重力波從一個探測器到達另一個探測器可能要花費10毫秒。科學家可以利用到達時間的這種差異來推斷出引力波的來源。隨著越來越多的重力波探測器在不同的地點開發,例如義大利比薩附近的先進的處女座探測器於2017年投入使用,研究人員將能夠更好地確定重力波的來源。

目前和計劃中的地面重力波天文臺都對大約60英裡(100公裡)的波長敏感。中子星和黑洞的質量高達太陽的幾十倍,產生了這種信號的味道。但是,科學家一直夢想著天基重力波天文臺,其探測器之間的距離很遠,可以探測更長的波長。這些信號類型可追溯到包括超大質量黑洞在內的各種來源。

歐洲航天局的雷射幹涉儀太空天線(LISA)任務正在開發中,這是一個正在開發的天基重力波天文臺。該任務計劃於2034年發射。LISA將由三顆繞地球軌道運行的衛星組成。每顆衛星內部都有一個立方體,它將自由地落在太空中,追蹤一條只受到引力波幹擾的路徑。這個衛星群將仔細監視每個立方體的位置,以尋找時空波紋的跡象。

藝術家對工作中的天基重力波探測器LISA的描繪。 (圖片來源:ESA)

LISA的每顆衛星都將相距數百萬英裡。原則上,LISA將能夠檢測到波長約為1800萬英裡(3000萬公裡)的重力波。科學家認為,這種信號源於黑洞的合併,其合併量是太陽質量的10,000至1000萬倍。

科學家還計算得出LISA將能夠檢測出數萬對白矮星的引力波。白矮星是死亡恆星的涼爽,暗淡,地球大小的核心,在中等大小的恆星耗盡燃料並脫落外層之後被遺棄。我們的太陽有一天會變成白矮星,銀河系中超過90%的其他恆星也一樣。

在2019年,這項新研究背後的同一位科學家發現,LISA和其他天基重力波天文臺可能會發現環繞我們銀河系中雙白矮星的巨大系外行星。現在,他們確定LISA也可以在銀河系之外,特別是在繞我們銀河系運轉的50多個衛星星系內,檢測到類似的行星系統。

研究人員指出,當兩個白矮星距離足夠近,可以在幾千年之內融合時,這對將產生連續的引力波流,幾乎所有引力波都具有相同的頻率。當LISA處於活動狀態時(可能長達10年),天文臺可以監視這些引力波流中是否存在微小的偏差,例如由圍繞這對行星軌道的巨型行星的引力場引起的偏差。

以前,科學家發現,只要這些行星與雙白矮星之間的距離小於10 天文單位(AU),它們就可以探測到多達幾百顆質量相當於或重於木星的系外行星。(一個AU是地球與太陽之間的平均距離,約為9300萬英裡(1.5億公裡)。)

在這項新研究中,科學家們估計,LISA可以在銀河系最近的衛星星系之一麥哲倫星系中發現多達數百個雙白矮星。例如,對於一個理論上總質量等於太陽一半,其白矮星繞水星和太陽相距大約千分之一的雙星,他們計算得出LISA可能會開始探測出13倍於木星質量的系外行星。經過四年的觀察,而LISA經過10年的監測肯定會發現這樣的世界。

由於引力波,我們終於可以觀察到遠離太陽附近的這類物體了。未來的天基重力波天文臺比LISA的靈敏度高出10倍或更多,例如中國科學家設想的AMIGO太空任務,可以用10年的觀測探測到一顆繞木星質量翻倍的木星系外行星。

關於這種雙白矮星周圍的行星,例如它們的形成和演化,仍然存在很多不確定性。未來的研究可能會探索不僅在恆星變成白矮星之前而且在之後形成的行星。引力波觀測可能會揭示這些世界通常具有哪些質量和軌道,從而有助於闡明這些問題。在7月14日在線發表在《國際現代物理學雜誌》 上詳細介紹了他們的發現。

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