发现系外行星:未来引力波探测器的新用途!

 成功案例     |      2016-01-10

  目前已知有4000多颗系外行星围绕其他恒星运行。事实上,天文学家怀疑△▪▲◆■□△这样的世界是普遍存在的,平均▪▲□◁而言,银河系中的每颗恒星至少有一个行星伴侣。但问题就在这里:尽管系外行星似乎无处不在,但“无处不在”在描述天▲●…△文学家实◆◁•际观测过的地方时,却远非事实。绝大多数的系外行星调查都是围绕着离太阳很近的恒星或离太阳更远的恒•□▼◁▼星展开的,这些恒星位于银河系中央星系隆起的方向。说实话,目前还没有人知道银河系中行星的真正数量,也没有人知道银河系以外其他星系中行星的数量。

  根据7月8日发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上的一项研究,随着欧洲航天局(E▲★-●uropean Space Agency) LISA任务的启动,完成这次系外行星普查的重要一步可能从2034年开始。LISA任务的主要目的是通过寻找排列在一个长250万公里的三角形星座内的三颗卫星之间距离的微小变化,来探测太空-时△▪▲□△间-重力波中的涟漪。LISA将被定制用来接收超大质量黑洞合并产生的引力波,但它显然也能接收一些系外行星系统发出的引力波。

  尼古拉·塔马尼尼(Nicola Tamanini)是最近这项研究的合作者之一,也是德国波茨坦马普引力物理研究所的天体物理学家。他说:“在▪•★条件最佳的情况下,LISA应该可以让我们在整个银河系、麦哲伦星云甚至仙女座星系进行探测。”

  探测的工作原理是这样的:当两颗恒星形成一个双星系统时,它们在严格意义上说并不围绕对方运行;相反,它们围绕一个共同的质心公转。如果一个行星的身体存在于这样一个系统中,行星的引力影响将会扰动这个质心,导致它周期性地来回摆动,与行星的来回拉扯同步。这种摆动的强度可以提供对这颗行星质量的估计,随着时间的推移,它的重复出现将揭示出这颗行星的轨道周期。对于光学望远镜来说,这种摆动几乎总是太小而无法被观测到。但是可以看●出,这种摆动是对双星系统引力波的一种微妙的周期性调制。对于这类双星系统——由两颗白矮星组成,燃烧殆尽的类日恒星残骸——这样的调制应该可以被LISA探测到。

  塔玛尼尼说,天文学家已经知道有大量的白矮星双星系统存在,仅在我们的星系中就能看到成千上万个这样的系统。事实上,这类系统产生的•☆■▲引力波将被用来校准任务的观测结果,也可以确保丽萨能监听到。他说,即使银河系中只有1%的白矮星双星上有行星,LISA也应该能找到数百个这样的行星。

  约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)天体物理学博士生、丽萨联盟(LISA Consortium)成员Kaze Wong对这项发现表示欢迎。她没有参与最近的这项研究。他说:“以前的研究着眼于利用引力波探测围绕单•●一恒星运行的系外行星的可能性,但我们所做的工作表明,这种组合产生的引力波太弱,无法探测到。”Wong说,这种方法显示出更多的希望,因为白矮星双星产生的引力波比一颗围绕孤星旋转的行星产生的引力波要强大得多。“一旦探测到引力波,”他说,“我们就可以用电磁仪器对准它们,确定系外行星源的进一步细节。”

  尽管这种新方法很有希望探测整个银河系乃至其他邻近星系的行星,但天文学家仍将努力对这些新发现的行星有更多的了解。除了最初的引力波探测所提供的轨道周期和质量估计之外,用传统望远镜进行的后续观测或许可以确定一颗行星的精确质量、大小和其他轨道参数。

  此外,这项技术不太可能发现任何适合居住的类地行星。白矮星本质上是恒星的尸体,是类太阳恒星耗尽核燃料后留下的缓慢冷却的核心。但在一颗恒星变成白矮星之前,它首先会经历一个红巨星阶段,在这个阶段,它的体积会膨胀,膨胀到足以烧焦甚至吞噬任何靠近它的行星。因此,Wong说,任何幸存的星球都可能是不适合居住的——那些产生最强引力波信号的星球将会不舒服地靠近它们的白▽•●◆矮星宿主。更重要的是,LISA根本无法保证能找到任何系外行星——因为我们对世界是否能在如此极端的双星系统中出现、如何出现以及如何持续存在知之甚少。

  但丹尼尔斯基指出,即使没有在白矮星双星周围发现行星,这一空白结果仍将为行星进化提供有用的洞见。

  “到目前★◇▽▼•为止,还没有人想◆●△▼●过用这样的双星系统来模拟系外行星,”她说,“所以我们对它们◇=△▲的存在知之甚少。”“发现这些行星将表明,这样的世界能够以某种方式生存——或者从恒星的死亡中复活。在银河系的任何地方,如果一个行星都找不到,就会给我们带来一个新的限制。在一个被认为充满了可以探索的世界的宇宙中,知道不去看哪里是一件很有用的事情。

  丹尼尔斯基说:“最终,以这种方式利用LISA,我们将确定整个银河系的行星形成。”返回搜狐,查看更多

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