Nawet nie muszą świecić, a i tak je znajdą. Będą szukać światów, których nie da się zobaczyć

Planeta nie musi świecić ani przesłaniać swojej gwiazdy, żebyśmy odkryli jej istnienie. Może zdradzić się przez niewielkie zmiany fal grawitacyjnych docierających z odległości tysięcy lat świetlnych. Naukowcy NASA opracowali sposób wykorzystania takiego sygnału do poszukiwania światów, których obecnie nie potrafimy wykryć tradycyjnymi metodami. Pomóc ma kosmiczne obserwatorium LISA, które Europejska Agencja Kosmiczna przygotowuje wspólnie z NASA. Nie będzie fotografować planet. Zamiast tego zmierzy niewyobrażalnie małe zaburzenia czasoprzestrzeni i poszuka w nich śladów grawitacji niewidocznych obiektów.

Wyobraźmy sobie dwa białe karły krążące bardzo blisko siebie. Są pozostałościami po gwiazdach, które zakończyły już główne etapy swojego życia. Każdy może mieć rozmiary zbliżone do Ziemi, choć zawiera ogromną ilość materii. Jeśli obiegają się dostatecznie szybko, emitują fale grawitacyjne, czyli zaburzenia czasoprzestrzeni przewidziane przez Alberta Einsteina. Sygnał ma określoną częstotliwość, którą można bardzo dokładnie zmierzyć.

Teraz do takiego układu dodajmy trzeci obiekt: planetę krążącą wokół obu gwiazd. Jej grawitacja powoduje, że para białych karłów wykonuje niewielki dodatkowy ruch wokół wspólnego środka masy całego układu. To właśnie ten ruch może zdradzić planetę. Gdy białe karły na przemian zbliżają się do obserwatora i od niego oddalają, częstotliwość docierających fal grawitacyjnych ulega subtelnym zmianom. Zjawisko przypomina efekt Dopplera, dzięki któremu dźwięk nadjeżdżającej karetki wydaje się wyższy niż po jej minięciu.

Badacze przedstawili szczegółowy opis tej metody w pracy opublikowanej 10 listopada w The Astrophysical Journal. Jej autorem jest Casey McGrath, astrofizyk współpracujący z NASA Goddard Space Flight Center.

Najciekawsze jest to, że LISA nie będzie wykrywać fal wytworzonych przez samą planetę. Jej sygnał byłby zdecydowanie zbyt słaby. Instrument wykorzysta znacznie silniejsze fale emitowane przez ciasny układ dwóch martwych gwiazd. Obecność planety spowoduje powstanie charakterystycznych dodatkowych składowych sygnału, znajdujących się tuż powyżej i poniżej jego głównej częstotliwości. Astronomowie określają je mianem wstęg bocznych.

Można porównać to do transmisji radiowej. Radio nadaje sygnał o określonej częstotliwości, ale niesiona przez niego informacja zmienia właściwości fali. W przypadku LISA podobną informacją będzie obecność planety i jej oddziaływanie na ruch gwiazd. Z obliczeń wynika, że obserwatorium może wykrywać planety o masach porównywalnych z Jowiszem z odległości nawet kilku tysięcy lat świetlnych. W szczególnie sprzyjających warunkach możliwe byłoby odkrycie również mniejszych obiektów.

Już w 2020 r. na Spider's Web opisywaliśmy wcześniejsze obliczenia dotyczące wykorzystania misji LISA do takich poszukiwań. Nowe badania dokładniej opisują mechanizm detekcji i proponują sposób niezależnego potwierdzania odkryć.

Astronomowie szacują, że w naszej galaktyce istnieje około 10 mln par białych karłów, które obiegają się w czasie krótszym niż godzina. Tak szybki ruch powoduje emisję fal grawitacyjnych o częstotliwościach odpowiednich dla obserwatorium LISA.

Nie wszystkie te układy będzie jednak można rozróżnić. Naukowcy przewidują, że LISA zidentyfikuje około 10 tys. pojedynczych par białych karłów. Do tego dojdzie około 100 układów zawierających różne kombinacje białych karłów, gwiazd neutronowych i czarnych dziur.

Wśród nich mogą ukrywać się planety, których wcześniej nikt nie widział. Dotychczas astronomowie odkrywali światy krążące wokół pojedynczych białych karłów, ale nie potwierdzili jeszcze żadnej planety obiegającej ciasną parę takich obiektów.

W lipcu opisywaliśmy badania planety WD 1856 b, która przetrwała śmierć swojej gwiazdy. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwolił odtworzyć część jej historii, ale tam chodziło o obiekt krążący wokół jednego białego karła. Planeta towarzysząca dwóm takim gwiazdom stanowiłaby znacznie większą zagadkę. Musiałaby przetrwać skomplikowaną ewolucję całego układu albo powstać dopiero po przemianie gwiazd.

Samo odnalezienie podejrzanego zaburzenia w falach grawitacyjnych nie wystarczy do ogłoszenia odkrycia. Naukowcy muszą jeszcze upewnić się, że sygnału nie wywołało inne zjawisko. Druga praca naukowa opublikowana tego samego dnia opisuje sposób potwierdzania takich planet za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Białe karły są stosunkowo chłodnymi pozostałościami gwiazd. Jeśli wokół ich pary krąży duża planeta, może ona emitować zauważalną ilość promieniowania podczerwonego. Webb potrafiłby wykryć jego nadwyżkę w porównaniu z tym, czego spodziewamy się po samych gwiazdach.

Badacze sprawdzili przykładowy układ odległy o 500 lat świetlnych. W takim przypadku Webb mógłby wykryć planetę o masie około 5 Jowiszów, podczas gdy LISA, w sprzyjających warunkach, byłaby w stanie rozpoznać również obiekt lżejszy od Jowisza.

Nie oznacza to, że Webb zweryfikuje każdą planetę znalezioną przez LISA. Jego możliwości będą zależały od odległości, temperatury i masy badanego obiektu. Oba instrumenty mogłyby jednak wzajemnie uzupełniać swoje obserwacje. Znamy już przypadki, w których Webb potrafił bezpośrednio wykrywać bardzo słabe sygnały pochodzące od egzoplanet. Połączenie jego obserwacji z pomiarami fal grawitacyjnych dałoby astronomom zupełnie nowe narzędzie.

LISA będzie wyglądała inaczej niż jakikolwiek teleskop, który dotychczas wysłano w kosmos. Zamiast jednego urządzenia skorzysta z trzech statków kosmicznych poruszających się wokół Słońca w formacji przypominającej ogromny trójkąt. Każdy jego bok będzie mierzył około 2,5 mln km. Statki połączą niewidzialne wiązki laserowe, za pomocą których badacze zmierzą niewyobrażalnie małe zmiany odległości między instrumentami.

Przechodząca fala grawitacyjna minimalnie zmienia geometrię czasoprzestrzeni, a wraz z nią odległości między punktami pomiarowymi. LISA ma wykrywać zmiany mniejsze od średnicy atomu helu. Obserwatorium powstaje pod kierownictwem Europejskiej Agencji Kosmicznej, przy współudziale NASA. Start zaplanowano na 2035 r. i ma go przeprowadzić europejska rakieta Ariane 6.

Zobacz także:

Podobne fale rejestrują już naziemne obserwatoria LIGO i Virgo, ale kosmiczny instrument będzie pracował w innym zakresie częstotliwości. Dzięki temu wychwyci sygnały z układów niedostępnych dla obecnych detektorów. Na pierwsze planety wykryte w ten sposób trzeba jeszcze poczekać. Na razie naukowcy nie przedstawili obserwacji żadnego konkretnego świata, lecz szczegółowe obliczenia pokazujące, jak można go znaleźć.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI