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新研究发现科学家或能利用宇宙中的“时空涟漪”——引力波探测到银河系外的行星

新研究发现科学家或能利用宇宙中的“时空涟漪”——引力波探测到银河系外的行星

新研究发现科学家或能利用宇宙中的“时空涟漪”——引力波探测到银河系外的行星

(神秘的地球uux.cn报道)据新浪科技(任天):国外媒体报道,一项新研究发现,科学家有朝一日或许能利用宇宙中的“时空涟漪”——引力波——探测到银河系外的行星。在过去30年里,科学家已经证实在地球所处的太阳系之外存在着近4200颗行星。探测这些系外行星的方法,一是分析这些行星本身发出的光,二是探测其母恒星发出的光。事实上,这些方法基本上都局限于探测银河系内的行星;考虑到涉及的遥远距离以及大量的尘埃云和其他障碍物,探测银河系外行星的光信号的机会非常渺茫。

天文学家曾经观测到一颗可能存在于银河系之外的行星,并命名为HIP 13044b。这颗行星的母恒星HIP13044存在于珍珠星流中,而该星流是大约60到90亿年前被银河系吞并的矮星系形成的。后续的研究表明此前的观测有误,这颗恒星实际上并不拥有行星。其他可能的银河系外行星还有待证实。2018年,天文学家确实发现了银河系外存在“流浪行星”的证据,但都只是间接的判断。

在这项新研究中,研究人员提出,未来我们很可能会通过引力波信号,而不是光信号来探测银河系外行星。爱因斯坦在1916年首次预言了引力波的存在。根据他的广义相对论,引力来自于质量扭曲空间和时间的方式。当两个或两个以上的物体在一个引力场内运动时,它们会产生以光速传播的引力波,并在运动过程中拉伸和挤压时空。

关键的是,那些阻碍遥远光线到达地球的障碍通常不会阻碍引力波。但是,引力波非常微弱,因而极其难以探测;即使是爱因斯坦也不确定引力波是否真的存在,或是能否被证实。

经过几十年的努力,科学家在2015年通过激光干涉引力波天文台(LIGO)发现了引力波存在的第一个直接证据。LIGO使用两个几乎完全相同的干涉仪——一个在华盛顿州的汉福德,另一个在路易斯安那州的利文斯顿——来探测引力波在物质中传播时所引起的扭曲。

这两个干涉仪的形状都像一个巨大的“L”,干涉臂的长度约4千米。每个探测器的干涉臂长度一般是一样的,因此激光束在每个探测器上传播所需的时间也是一样的。然而,当引力波穿过地球时,探测器的一支臂就会伸展,另一支臂则会收缩;在引力波信号持续的时间内,就会出现小至质子直径的千分之一左右的长度变化。在这种情况下,原子钟可以探测到激光束在探测器干涉臂上反射所需时间的瞬间差异。

由于LIGO的探测器之间相距约3000千米,引力波从一个探测器穿过到另一个探测器可能需要10毫秒。科学家可以利用激光束到达时间的差异来推断引力波的来源。随着世界各地越来越多的引力波探测器投入使用,研究人员将能更好地确定引力波的来源。比如,意大利比萨附近的先进室女座探测器于2017年上线,拥有比初期室女座干涉仪探测器10倍以上的灵敏度。

目前及计划中的地基引力波天文台都是对波长在100千米左右的波段敏感;中子星和质量是太阳几十倍的黑洞往往会产生这种信号。然而,天文学家一直梦想着在太空建立引力波观测站,这些观测站的探测器距离更远,可以探测到更长的波长。这些引力波信号可以追溯到一系列的来源,包括超大质量黑洞。

欧洲空间局的激光干涉仪空间天线(LISA)任务就是一个开发中的天基引力波天文台,计划于2034年发射。LISA将由三个相同的航天器构成,每两个航天器之间的夹角为60度,并采用与地球相同的日心轨道。每个航天器内部都有一个立方体,可以沿着一条仅受引力波干扰的路径自由下落。这组航天器将密切监测每个立方体的位置,以寻找时空涟漪的迹象。

LISA的每颗卫星彼此之间都将有数百万千米的距离。原则上,LISA将能够探测波长约为3000万公里的引力波。天文学家相信,这样的信号将来自质量为太阳1万到1千万倍的黑洞的合并事件。

天文学家的计算结果还显示,LISA将能够探测到来自数万对白矮星的引力波。白矮星是死亡恒星的核心,温度较低,十分黯淡暗,大小与地球相当。它们是中等大小的恒星耗尽燃料并失去外层后遗留下来的。太阳有朝一日也会变成白矮星,而银河系中90%以上的其他恒星也会如此。

2019年,参与这项新研究的天文学家发现,LISA和其他基于太空的引力波天文台可以观测到围绕银河系中双白矮星运转的巨大系外行星。现在他们确定,LISA也可以探测到银河系外类似的行星系统,特别是在50多个围绕银河系运行的卫星星系内。

研究人员指出,当两颗白矮星的距离足够近,足以在数千年内合并时,这对白矮星将产生一股几乎具有相同频率的连续引力波流。LISA在运行期间(可能长达10年)可以监测这些引力波流的任何微小偏差,其中一些偏差可能就是由围绕这些成对白矮星运行的巨大行星的引力场造成的。

此前,天文学家发现,LISA可以探测到数百颗质量与木星相当或大于木星的系外行星,前提是这些行星与它们围绕的成对白矮星之间的距离小于10个天文单位(AU)。一个天文单位即地球和太阳之间的平均距离,约为1.5亿公里。

在这项新研究中,天文学家估计LISA可以在大麦哲伦星云中探测到数百对白矮星。大麦哲伦星云是银河系最近的卫星星系之一。在理论上,如果双白矮星的总质量相当于太阳的一半,其彼此的轨道距离就约为水星和太阳之间距离的千分之一;研究人员的计算结果显示,经过4年的探测,LISA可能就会探测到一颗质量为木星13倍的系外行星;而如果探测时间达到10年,LISA肯定会发现这样这样一颗银河系外行星。

该研究的合著者、伦敦大学学院的天体物理学家卡米拉·丹尼尔斯基(Camilla Danielski)说:“通过引力波,我们或许最终能在远离太阳系的地方观测到这些天体。”

未来的天基引力波天文台,比如中国科学家设想的AMIGO太空任务,其灵敏度为LISA的10倍或更高;可能需要10年的观测时间,才能探测到质量为木星4倍、绕着双白矮星运行的系外行星。

“我们的研究只是对这种新观测方法的第一次研究,”该研究的合著者、德国马普引力物理研究所的天体物理学家尼古拉·塔玛尼尼(Nicola Tamanini)说,“未来的研究将提供更详细的图景。”

围绕这类双白矮星的行星还有很多不确定的问题,比如它们的形成和演化。丹尼尔斯基表示,未来的研究可能探索的,将不仅是在恒星变成白矮星之前的行星,也将包括在恒星变成白矮星之后形成的行星。引力波观测可能有助于为解答这些问题提供线索,因为这可以揭示这些行星通常具有什么样的质量和轨道。7月14日的《国际现代物理杂志D》(Journal of Modern Physics D)上详细介绍了这项新研究的发现。




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