Текст уведомления здесь

Судьбу планет у белых карликов прояснят гравитационные волны

Основанная на их использовании методика может быть гораздо лучше классических телескопов

Ученые создали способ, который с помощью гравитационных волн от двойных белых карликов может выявить обращающиеся вокруг таких звезд планеты-гиганты. Если, конечно, эти планеты там вообще есть: пока их существование никто не смог подтвердить. Это большой провал в наших знаниях о Вселенной.
Добавить в закладки
Комментарии

Белые карлики — это остатки звезд, которые светят уже не за счет термоядерных реакций, которые происходят в их недрах, а исключительно за счет остаточного тепла. Так как их масса близка к массе обычных звезд (обычно это десятки процентов от массы Солнца), а площадь поверхности, напротив, мала (в тысячи раз меньше солнечной), тепла хватает на миллиарды лет. Астрономы не видели ни одного погасшего белого карлика — расчеты свидетельствуют, что Вселенная слишком молода и такие небесные тела просто не успели бы остыть. Свечение мертвых остатков звезды растягивается так надолго, что вокруг них гипотетически могли бы вращаться даже планеты, однако на вопрос о том, как все обстоит на самом деле, до сих пор никто не может ответить. Возможно, ответ появится благодаря гравитационным волнам. 

Это явление предсказала общая теория относительности в начале XX столетия, однако долгое время астрономы не могли обнаружить гравитационные волны экспериментально. У этих волн очень маленькая энергия — например, Земля, вращаясь вокруг Солнца, излучает гравитационные волны мощностью около 200 ватт. Уже на расстоянии в несколько световых лет — как до ближайшей звезды — выловить такой сигнал практически невозможно.


Для сравнения: мощность набегающих на берег океанских волн высотой в полметра с периодом в десять секунд свыше киловатта на метр берега. Можно также сравнить мощность гравитационного излучения Земли и Солнца с не самым ярким прожектором — тот дает сотни ватт в виде света.


Лишь в 2015 физики из международных проектов LIGO и VIRGO смогли зафиксировать волны, возникшие при слиянии двух черных дыр. Это получилось во многом благодаря тому, что этот процесс сопровождается экстремально высоким выделением энергии.

Визуализация гравитационных волнNASA/Ames Research Center/C. Henze

С 2015 года детекторы LIGO и VIRGO поймали несколько десятков подобных сигналов, и во всех случаях речь шла об астрофизических событиях с выделением очень большого количества энергии. Так, энергия самого первого импульса, который обнаружили ученые, составляла свыше трех масс Солнца. Для таких измерений исследователи используют принцип эквивалентности массы и энергии, воплощенный в знаменитой формуле E=mc2. При этом на Земле ученые не измеряют энергию в массе за пределами специфических физических задач, поскольку даже самый мощный в истории термоядерный взрыв сопровождался переходом в энергию немногим более двух с половиной килограммов. 

Читайте также: Пространство волнуется раз. Зачем ловили гравитационные волны и как они изменят представление о Вселенной

На смену LIGO и VIRGO, большим наземным детекторам, уже проектируют космический комплекс eLISA, чувствительность которого будет гораздо выше. Он позволит астрономам впервые видеть не только всплески гравитационных волн от экстремальных событий, но и волны, которые излучают вращающиеся вокруг общего центра масс черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики. Все эти объекты возмущают пространственно-временной континуум гораздо активнее пары «Солнце — Земля», и их мощность измеряется уже не в сотнях ватт, а в величинах порядка 1032 ватт — в миллионы раз больше суммарной мощности Солнца. 

Если бы мы, смотря на небо, могли видеть вместо света или иного излучения гравитационные волны, то пара из тусклых белых карликов оказалась бы очень яркой. Астрономы из Германии и Франции, опубликовавшие статью в Nature, рассчитывают воспользоваться этим для решения нескольких задач, связанных с эволюцией звезд и их планетных систем после перехода на стадию белого карлика.

Настройка и монтаж детектора Advanced LIGOLIGO

Ученые указали, что, если в системе двойных белых карликов окажется еще и достаточно тяжелая планета, характер гравитационных волн изменится настолько, что это можно будет обнаружить при помощи eLISA. На первый взгляд, такой метод достаточно неудобен, ведь надо ждать запуска обсерватории нового поколения, а его чувствительность настолько низка, что он позволяет увидеть только гигантов, превосходящих массой Юпитер. Однако у него есть несколько бесспорных преимуществ перед традиционными телескопами, невзирая на их куда более выдающиеся способности — например, при удачных обстоятельствах тот же «Хаббл» мог бы не просто выявить аналог Юпитера в двойной системе белых карликов, но и сделать его снимок.

eLISA сможет «видеть» гравитационные волны ото всех источников, вне зависимости от их расположения на небе. Ему не помешают ни облака межзвездной пыли, ни другие звезды, на фоне которых очень сложно заметить два белых карлика с их типичной яркостью в сотни или даже тысячи раз меньше яркости Солнца. Подобно тому, как космические обсерватории позволили ученым видеть рентгеновские источники на небе (атмосфера для этого излучения непрозрачна), гравитационные волны могут открыть те участки неба, которые сейчас недоступны для наблюдения.

Туманность NGC 3132. В центре — обычная звезда и белый карлик (точка правее и выше)Hubble Heritage Team / STScI/AURA/NASA/ESA

Кроме того, новый метод может оказаться быстрее и дешевле. Авторы работы рассмотрели много перспективных проектов — кроме eLISA это были преемник «Хаббла», «Джеймс Уэбб», строящийся сейчас Экстремально Большой Телескоп (Extremely Large Telescope), планируемая европейская космическая обсерватория ARIEL — и пришли к выводу, что ни один из них не сможет быстро просканировать все небо в поисках двойных белых карликов. 

Не смогут все эти инструменты и детально изучить каждую находку: на работу с телескопами такого класса всегда стоит внушительная очередь из астрономов со всего мира, а наблюдения отнюдь не дешевы. Один снимок, сделанный «Хабблом», стоит свыше десяти тысяч долларов, так что использовать лучшие телескопы для долгого и сложного поиска нецелесообразно, поскольку для массового поиска экзопланет ученые создают специальные инструменты вроде легендарного «Кеплера» или заменившего его космического телескопа TESS. Поскольку проектируемая сейчас eLISA будет фиксировать все гравитационные волны, которые получится поймать, задача поиска двойных белых карликов с планетами неподалеку будет решена автоматически, главное — только правильно обработать записанный сигнал.

На этом достоинства нового подхода не заканчиваются. По предварительным оценкам, eLISA позволит астрономам заметить даже двойные системы из белых карликов за пределами галактики. На таком расстоянии ни о каком систематическом выявлении экзопланет любым иным методом говорить не приходится. Гравитационно-волновая астрономия даст ученым возможность сравнительно просто составить максимально полный список вращающихся вокруг общего центра масс белых карликов и затем выяснить, есть ли в таких системах тяжелые планеты. По существующим представлениям таких планет быть не должно, однако наши знания об эволюции звезд весьма неполны, поэтому проверить их будет явно нелишним.

Визуализация запуска и работы eLISA Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik / Youtube

Обсерватория eLISA будет представлять собой три спутника, двигающихся синхронно друг с другом по орбите вокруг Солнца. Лазерные лучи между ними образуют треугольник со стороной около миллиона километров. Астрофизики будут постоянно наблюдать за этими лучами, благодаря чему смогут зафиксировать искажения пространства-времени в момент прохождения гравитационной волны. Аналогичную схему ученые сейчас применяют на Земле, однако намного меньшие размеры установки вкупе с многочисленными помехами существенно ограничивают чувствительность прибора. 

eLISA планируют запустить на рубеже 2030-х годов, однако ученые уже испытали ряд ключевых ее технологий на запущенном в 2015 году спутнике LISA Pathfinder. Этот аппарат не мог регистрировать сами гравитационные волны, однако он показал, что разработанные для eLISA технологии позволяют добиться даже большей точности, чем ожидалось поначалу. 

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы