Gravitacioni talasi mogli bi otkriti nove svjetove u Mliječnom putu

Svemirska opservatorija LISA (Laser Interferometer Space Antenna), čija je izgradnja u toku, detektovat će gravitacione talase — sitne nabire u prostor-vremenu koje stvaraju tijela u orbiti. Dvije nove studije pod vodstvom NASA-inih astrofizičara pokazale su detaljno kako bi LISA mogla otkriti jedinstvenu populaciju egzoplaneta, svjetova izvan našeg Sunčevog sistema, širom galaksije.

„Najčešći izvor za LISU trebali bi biti dvostruki bijeli patuljci, binarni sistemi koje čine bijeli patuljci u uskim orbitama", rekla je Casey McGrath, postdoktorska istraživačica na Univerzitetu u Merilendu, Baltimore County, i NASA-inom Goddardovom centru za svemirske letove u Grinbeltu. „Ako egzoplanet također orbitira unutar jednog od takvih sistema, njegovo prisustvo se utisne u signal gravitacionog talasa na način koji ćemo moći otkriti."

Radovi su objavljeni u utorak u časopisu The Astrophysical Journal. Prvi, čiji je jedini autor McGrath, ispituje metodu detekcije i određuje mase planeta i orbitalne periode kod kojih bi metod najbolje funkcionisao. Drugi rad, koji je McGrath napisala s koautorima, istražuje kako bi se takvi planeti mogli potvrditi pomoću NASA-inog svemirskog teleskopa James Webb.

Mogućnost otkrivanja egzoplaneta oko dvostrukih bijelih patuljaka prvi je predložio japanski astronom Naoki Seto 2008. godine. Misiju LISA predvodi Evropska svemirska agencija (ESA), a lansiranje je planirano za sredinu 2030-ih. NASA, kao partner u misiji, doprinosi teleskope, drugu ključnu opremu te inženjersku i naučnu podršku.

Kako radi metoda

Metoda je slična takozvanoj radijalnoj brzini, koja se već koristi za traženje egzoplaneta pomoću svjetlosti. Planetova gravitacija povlači matičnu zvijezdu i izaziva njeno malo njihanje, koje se zbog Doplerovog efekta ogleda u pomjeranju spektralnih linija ka crvenom kada se zvijezda udaljava i ka plavom kada se približava.

„Nešto slično dešava se s gravitacionim talasima", objasnio je Scott Noble, teorijski astrofizičar iz NASA Goddarda i koautor rada o potvrdi. „Samostalno, dvostruki bijeli patuljci emituju gravitacione talase gotovo stalnom frekvencijom. Ako sistemu dodamo dovoljno masivan planet, njegovo prisustvo izaziva refleksno kretanje binarnog para i dodaje Doplerovu modulaciju gravitacionom signalu."

Ta modulacija će se za LISU pojaviti kao bočni pojasevi — sekundarni signali na višim i nižim frekvencijama od glavne. McGrath je uporedila pojavu s modernim radio prijenosom, gdje se dio energije glavne noseće frekvencije prenosi u bočne pojaseve koji nose poruku, poput glasa ili muzike. Kod gravitacionih talasa ti bočni pojasevi nose poruku o prisustvu planete.

Nova populacija planeta

Bijeli patuljci su ostaci zvijezda poput Sunca, veličine približno kao Zemlja. Egzoplaneti su dosad otkriveni oko nekoliko samostalnih bijelih patuljaka, ali nikada oko binarnog sistema bijelih patuljaka — što znači da bi LISA-ina otkrića predstavljala posve novu populaciju egzoplaneta.

Astronomi procjenjuju da Mliječni put sadrži 10 miliona dvostrukih sistema bijelih patuljaka s orbitalnim periodima kraćim od sat vremena, koji proizvode gravitacione talase u rasponu pogodnom za LISA. Očekuje se da će LISA razdvojiti oko 10.000 pojedinačnih sistema, kao i oko 100 mješovitih binarnih sistema — s bijelim patuljcima, neutronskim zvijezdama ili crnim rupama — u sličnim periodima.

„Kad LISA uhvati prve detekcije egzoplaneta, biće ključno da neke od njih potvrdimo", istakla je Meri En Limbah (Mary Anne Limbach), istraživačica sa Univerziteta u Mičigenu i koautorica rada o potvrdi. „Zajedničke detekcije omogućiće nam da utvrdimo kako gravitacioni signali odgovaraju stvarnim planetama, a ne lažnim signalima."

Tim je opisao novu metodu potvrde tih planeta koja koristi osjetljivost teleskopa Webb na infracrveno zračenje. Planet u sistemu dvostrukih bijelih patuljaka proizvodi veći udio infracrvene svjetlosti nego što se očekuje od samih zvijezda, a Webbovi instrumenti taj višak lako mogu detektovati do udaljenosti od najmanje 500 svjetlosnih godina. Koristeći tu tehniku za testni sistem na toj udaljenosti, istraživači su utvrdili da bi Webb mogao detektovati egzoplanet mase oko pet puta veće od Jupiterove, dok bi LISA, u idealnim okolnostima, mogla detektovati egzoplanet manji od Jupitera.

Opservatorija LISA sastojat će se od tri letjelice koje će pratiti Zemlju na njenom putu oko Sunca, formirajući prostrani trougao čije svake stranice iznose 2,5 miliona kilometara. Svaka letjelica nosit će dva teleskopa koji će infracrvenim laserskim zracima istovremeno slati i primati signale između susjednih letjelica. Pomoću tih teleskopa letjelice će mjeriti sitne promjene u međusobnim udaljenostima — manje od širine atoma helijuma — signale gravitacionih talasa koji prolaze.

Gravitacione talase predvidio je Albert Einstein 1916. godine u općoj teoriji relativnosti, a prvi put su detektovani 2015. pomoću prizemnih opservatorija. Talasi nastaju kad god masivna tijela ubrzavaju, poput dvije zvijezde koje kruže jedna oko druge, a kroz prostor-vrijeme putuju brzinom svjetlosti, neometani objektima na koje naiđu. Upravo ta svojstva čine ih vrijednim alatom za istraživanje kosmosa.