Poszukiwanie planet w innych galaktykach? Wkrótce możliwe dzięki falom grawitacyjnym

W ciągu ostatnich trzydziestu lat astronomowie potwierdzili istnienie prawie 4200 planet poza Układem Słonecznym. Aby tego dokonać, musieli analizować światło pochodzące albo z samych planet, albo światło ich gwiazd macierzystych. Takie metody ograniczają jednak możliwość poszukiwania planet do naszej galaktyki, bowiem szanse na dostrzeżenie sygnału pochodzącego z planet spoza galaktyki, zważając na ogromne odległości oraz ilość materii, pyłu i gazu między nimi a nami, są zerowe.

W najnowszym artykule naukowcy twierdzą, że odkrywanie planet pozagalaktycznych może być możliwe, jeżeli nie będziemy bazowali na promieniowaniu elektromagnetycznym, a na falach grawitacyjnych. Albert Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych już w 1916 r. Według opracowanej przez niego teorii grawitacja jest skutkiem tego, jak masa zakrzywia czasoprzestrzeń. Gdy dwa lub więcej obiektów porusza się w polu grawitacyjnych, emitują one fale grawitacyjne, przemieszczające się z prędkością światła i ściskające i rozciągające całą przestrzeń na swojej drodze.

Co ważne przeszkody, które zazwyczaj blokują światło bardzo odległych obiektów, zupełnie nie przeszkadzają falom grawitacyjnym. Problem w tym, że fale grawitacyjne są niezwykle słabe i wyjątkowo trudno je zaobserwować. Po wielu dekadach prac naukowcy po raz pierwszy zarejestrowali fale grawitacyjne przelatujące w pobliżu Ziemi dopiero w 2015 r., 99 lat po tym, jak ich istnienie przewidział Einstein.

Odkrycia tego dokonał detektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Obsevatory) składający się z dwóch detektorów, z których jeden znajduje się w stanie Waszyngton, a drugi, oddalony od niego o 3000 km, w Luizjanie. Każdy z nich wygląda jak gigantyczne L, składające się z dwóch tuneli o długości 4 km. Normalnie długość każdego tunelu jest stała, przez co wiązka laserowa potrzebuje tyle samo czasu, aby odbić się między dwoma końcami tunelu. Jednak jeżeli przez Ziemię przeleci fala grawitacyjna, jedna odnoga detektora ulegnie wydłużeniu, a druga skróceniu o…. jedną dziesięciotysięczną część średnicy protonu. Zegary atomowe będą wtedy w stanie wykryć różnicę w czasie, którego potrzebuje wiązka lasera na przebycie całej długości wydłużonego/skróconego detektora.

Odległość między dwoma detektorami (3000 km) sprawia, że opóźnienie między zarejestrowaniem fali w jednym a drugim detektorze może wynosić do 10 milisekund. Opierając się na skali opóźnienia, badacze mogą mniej więcej oszacować, z jakiego kierunku przyleciała do nas fala grawitacyjna. Im więcej detektorów fal grawitacyjnych znajdzie się na Ziemi, tym dokładniej będzie można ustalić skąd dokładnie przyleciały.

Aktualnie istniejące i planowane naziemne obserwatoria fal grawitacyjnych są wrażliwe na długość fali ok. 100 km; gwiazdy neutronowe i czarne dziury o masie do kilkudziesięciu mas Słońca emitują właśnie takie fale. Niemniej jednak już od dawna astronomowie planują kosmiczne obserwatoria fal grawitacyjnych, których detektory oddalone byłyby od siebie znacznie bardziej, dzięki czemu mogłyby rejestrować fale o większych długościach.

Planowane europejskie kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych LISA, które ma wystartować w 2034 r., będzie składało się z trzech satelitów przemieszczających się po orbicie okołosłonecznej, nieznacznie za Ziemią. Wewnątrz każdego satelity będzie znajdowała się kostka swobodnie spadająca w przestrzeni i zakreślająca ścieżkę, którą zaburzać będą jedynie fale grawitacyjne. Konstelacja satelitów będzie dokładnie monitorowała położenie każdej kostki w poszukiwaniu zmarszczek czasoprzestrzeni.

Każdy z satelitów konstelacji LISA będzie znajdował się miliony kilometrów od pozostałych. Dzięki temu LISA będzie w stanie wykryć fale grawitacyjne o długości nawet 30 mln km. Takie fale emitowane są przez procesy łączenia czarnych dziur o masie od 10 000 do 10 milionów mas Słońca.

Badacze ustalili także, że LISA będzie w stanie wykrywać fale grawitacyjne emitowane przez dziesiątki tysięcy par białych karłów.

W 2019 r.ci sami badacze odkryli, że LISA oraz inne kosmiczne obserwatoria fal grawitacyjnych będą w stanie dostrzec olbrzymie egzoplanety krążące wokół podwójnych białych karłów w naszej galaktyce. Teraz z kolei ustalili, że LISA będzie w stanie wykryć podobne układy planetarne także poza Drogą Mleczną, np. w pięćdziesięciu galaktykach satelitarnych krążących wokół Drogi Mlecznej.

Naukowcy doszli do wniosku, że gdy dwa białe karły znajdują się już tak blisko siebie, że do ich złączenia dojdzie w ciągu kilku tysięcy lat, będą one emitować bezustanny strumień fal grawitacyjnych o niemal tej samej częstotliwości. W trakcie pracy obserwatorium LISA, czyli przez jakieś 10 lat, obserwatorium będzie mogło monitorować te strumienie fal grawitacyjnych, poszukując w nich jakichkolwiek drobnych odchyleń, np. spowodowanych przez pole grawitacyjne gazowych olbrzymów krążących wokół tych białych karłów.

Jakiś czas temu, badacze doszli do wniosku, że LISA będzie w stanie wykryć do kilkuset egzoplanet o masach porównywalnych lub wyższych od Jowisza, jeżeli tylko odległość planet od układu dwóch białych karłów będzie mniejsza od 10 jednostek astronomicznych (1 AU = 1 jednostka astronomiczna to ok. 150 mln km).

W najnowszym artykule naukowcy szacują, że LISA będzie w stanie odkryć do kilkuset podwójnych białych karłów w Wielkim Obłoku Magellana, jednej z najbliższych nam galaktyk. Załóżmy istnienie układu dwóch białych karłów, okrążających się w odległości tysiąc razy mniejszej od odległości Słońce-Merkury. W przypadku takiego układu, którego masa wyniesie pół masy Słońca, LISA będzie w stanie odkryć planetę o masie 13 razy większej od Jowisza już w 4 lata od rozpoczęcia obserwacji.

Kolejne kosmiczne obserwatoria fal grawitacyjnych o czułości dziesięciokrotnie większej od LISA, takie jak AMIGO (planowane przez Chiny), będą w stanie dostrzec egzoplanety o masie czterokrotnie większej od Jowisza w ciągu 10 lat obserwacji.

Jak na razie nie wiemy praktycznie nic o planetach krążących wokół układów dwóch białych karłów. Nie wiemy, w jaki sposób miałyby powstawać i jak wyglądałaby ich ewolucja. Przyszłe badania pozwolą nam na poszukiwanie planet nie tylko takich, które powstały, zanim jeszcze gwiazdy zmieniły się w białe karły, ale także i potem. Na to jednak przyjdzie nam jeszcze poczekać kilka dekad. Pozostaje zatem prowadzić możliwie zdrowy tryb życia, aby przeżyć na tyle długo, aby zobaczyć wyniki tych badań.

Nie przegap nowych tekstów. Obserwuj Spider's Web w Google News.