LISA:用引力波探测系外行星

由:伊恩·奥尼尔博士。|

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如本艺术家渲染所描述的,卓越的J0806系统的想象的死亡螺旋是爱因斯坦的一般相对论的理论,预测白矮星恒星将通过产生重力波失去轨道能量。NASA / TOD STROHMAYER(GSFC)/ DANA BERRY(Chandra X射线天文台)

人类正在经历一场革命天文学.直到最近,我们还一直依靠电磁光谱(即光)来利用望远镜从太阳系后院到宇宙的最深处进行发现。现在,随着第一次历史性的检测2015年9月14日,一个全新的宇宙在等待着我们,在这个宇宙中,我们可以分析黑洞碰撞所产生的时空涟漪,可能还有围绕遥远恒星运行的外星世界。

在2019年7月8日发表的一项研究中自然天文学在美国,一组研究人员已经探索了后一种可能性,以揭示太阳系外行星,或系外行星,否则,传统的天文技术是看不到的。

“我们提出了一种使用引力波寻找轨道上的Exoplanets的方法,这些方法是二进制白矮星,”Max Planck Gravitational Physics(Albert Einstein Institute / AEI)的Max Planck Promics(Albert Einstein Institute / Aei)中的尼古拉Tamanini),在一份声明中说

到目前为止,美国的两个天文台已经探测到由宇宙深处的大规模碰撞产生的引力波激光干涉仪重力波天文台激光干涉引力波天文台(LIGO)使用了位于华盛顿和路易斯安那州的两个探测器处女座意大利比萨附近的干涉仪。这两个项目都使用了l型建筑,里面装有先进的激光干涉仪这可以检测距离的微小波动作为引力波清洗通过我们的地球。LIGO是第一个探测到引力波的爱因斯坦理论的一个多世纪前,LIGO和室女座LIGO共同工作,定期探测黑洞和中子星碰撞。

2017年,当引力波和伽马射线同时被探测到时,又达到了一个历史性的里程碑两颗中子星相撞在130光年外的星系中这一事件开启了“多信使天文学”的新时代,使天文学家能够精确定位这一事件的位置,了解短伽马暴背后的物理机制,确认碰撞的中子星是罪魁祸首,并让我们深入了解宇宙中制造重元素(如金和铂)的核过程。

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向太空发射探测器

我们探测引力波的新能力促进了这些令人难以置信的进步,未来会是什么样子呢?那么,为什么不向太空发射一个引力波天文台呢?正如《自然天文学》研究中所讨论的,计划空间天线激光干涉仪正是如此,它的极高灵敏度将让我们对目前隐藏在黑暗中的宇宙目标有一个全新的认识。这些目标之一将是双星白矮星系统,它可能伴随着运行的系外行星(质量为地球质量的50倍或更大),这些行星目前的系外行星探测技术无法观测到。理论上,LISA对来自银河系的白矮星双星的引力波非常敏感。

塔马尼尼说:“LISA将测量数千颗白矮星双星的引力波。”“当一颗行星围绕这样一对白矮星运行时,观测到的引力波模式将与没有行星的双星的引力波模式不同。这种引力波形式的特征变化将使我们能够发现系外行星。”

白矮星是类太阳恒星的尸体,它们在很久以前就耗尽了燃料,死亡了。我们的太阳将在大约50亿年后耗尽燃料,这将导致它膨胀成一个膨胀的红巨星。在红巨星阶段之后,恒星将释放其热等离子体层,形成所谓的行星状星云,在其身后留下一个大约地球大小的微小旋转物体。这个密度大的物体会被自身巨大的引力压碎,产生一团退化物质。

白矮星被研究得很好,它代表了太阳生命的最后死亡阶段,但它们也可能是我们寻找太阳系以外新世界的宝贵对象。

例如,如果两颗白矮星以双星的形式相互环绕,它们所产生的引力扰动就会像一个在游泳池里旋转的儿童玩具一样——时空中的涟漪将向各个方向传播,以光速将能量从轨道上的恒星带走。目前的引力波探测器只能测量最强大的宇宙碰撞,但有了LISA,这些产生较弱引力波信号的更微妙的事件将触手可及。

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隐藏的外星世界

目前,天文学家使用两种主要的方法来探测围绕其他恒星运行的系外行星:“径向速度法”,这是一种使用非常灵敏的光谱仪,安装在望远镜上,可以探测由绕轨道运行的系外行星引起的多普勒频移,以及美国宇航局的“凌日法”开普勒太空望远镜(和其他)用来探测恒星亮度的轻微下降,因为有一个世界在前面轨道运行。

尽管主要通过这两种方法已经发现了4000多颗系外行星,但仍有一些系外行星隐藏着,对于双白矮星,我们知之甚少可以主机系外行星。但是,如果LISA可以测量这些系统发出的时空涟漪,它也可能探测到系外行星在轨道上运行时的轻微拉力,类似于径向速度法测量电磁波的多普勒频移,只是用引力波代替。

LISA是由欧洲航天局领导的一个项目,目前计划于2034年发射。它们由三个编队飞行的航天器组成,将向彼此发射超精确激光,创建一个巨大的等边三角形激光干涉仪,每个航天器之间相隔150万英里(250万公里)。因此,LISA将成为一个干涉仪,比我们目前或将来在地球上拥有的任何东西都要大一百万倍。

塔马尼尼补充说:“LISA将以尚未完全探测到的系外行星为目标。”“从理论角度来看,没有什么能阻止紧致双星白矮星周围存在系外行星。”

如果这些双星白矮星系统也被发现是系外行星的宿主,它们将帮助我们更好地了解像我们这样的恒星系统是如何进化的,以及在它们的双星系统耗尽燃料并死亡后,行星是否还能生存。研究人员还指出,他们还可以揭示第二代系外行星(即在红巨星阶段之后形成的行星)是否存在。

除了探测系外行星的引力波之外,还有无穷无尽的可能性。如果说当前的引力波天文学“新时代”教会了我们什么,那就是未来的太空天文台,比如LISA,可以揭示我们从未想过会看到的黑暗现象。

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