Budeme odhalovat exoplanety s pomocí gravitačních vln?

Momentálně vyvíjená kosmická observatoř LISA (Laser Interferometer Space Antenna) má detekovat gravitační vlny, tedy drobná zvlnění časoprostoru způsobená obíhajícími hmotami. Nyní se objevily hned dvě studie vedené astrofyziky z NASA, které podrobně ukazují, jak by LISA mohla po celé naší galaxii odhalovat nové a jedinečné populace exoplanet, tedy světů, které leží mimo naší Sluneční soustavu.

„Nejběžnějším zdrojem pozorování pro misi LISA mají být podle očekávání systémy tvořené dvojicí bílých trpaslíků, tedy dvojhvězdy tvořené bílými trpaslíky, kteří obíhají blízko sebe,“ říká Casey McGrath, postdoktorand na University of Maryland v Baltimore County a pracovník Goddardova střediska v marylandském Greenbeltu a dodává: „Pokud by v takovém systému obíhala také exoplaneta, její přítomnost by byla otištěna do signálu gravitačních vln způsobem, který jsme schopni odhalit.“

Dva vědecké články byly publikovány v časopise The Astrophysical Journal a podrobně rozebírají nové poznatky vědců. První článek, jehož jediným autorem je Casey McGrath, studuje detekční metodu a určuje, pro jaké hmotnosti planet a oběžné doby by tato metoda fungovala nejlépe. Druhý článek od McGratha a spoluautorů studuje, jak by takové planety mohly být potvrzeny s využitím teleskopu Jamese Webba.

Možnost, že by LISA mohla v systémech dvojitých bílých trpaslíků detekovat exoplanety, byla poprvé představena v roce 2008, kdy ji publikoval japonský astronom, Naoki Seto. Mise LISA vedená Evropskou kosmickou agenturou by měla odstartovat někdy v polovině 30. let. Partnerem projektu je i NASA, která se v rámci své účasti podílí na teleskopech a dalším kriticky důležitém hardwaru mise, ale poskytuje také inženýrskou a vědeckou podporu, aby bylo možné lépe porozumět tomu, jak vesmír funguje.

Metoda detekce, kterou by mohla LISA využít, se podobá tzv. metodě radiálních rychlostí, která využívá světlo a dnes se již běžně používá k hledání exoplanet u blízkých hvězd. Když planeta obíhá kolem hvězdy, její gravitace na mateřskou hvězdu působí, což u hvězdy vyvolává drobné pohyby podobné vrtění se. Toto vrtění způsobuje, že spektrum hvězdy osciluje a spektrální čáry se posouvají od červenějších vlnových délek, když se hvězda od nás vzdaluje k modřejším, když se k nám blíží. Tento posun souvisí s Dopplerovým jevem.

„Něco podobného se děje i s gravitačními vlnami,“ říká Scott Noble, teoretický astrofyzik z Goddardova střediska a spoluautor potvrzujícího článku a dodává: „Samy o sobě budou dva bílí trpaslíci emitovat gravitační vlny s téměř kontinuální frekvencí. Přidejte ale do systému dostatečně hmotnou planetu a její přítomnost způsobí, že binární systém zažije reflexní pohyb a přidání Dopperovské modulace do gravitačního signálu.“

Pro misi LISA se tyto modulace projeví jako postranní pásma, sekundární signály, buďto na vyšších či nižších frekvencích než jakou má primární signál. McGrath přirovnává celou situaci k moderní rádiové komunikaci, ve které se část energie hlavní nosné frekvence využívá k vytvoření postranních pásem na sousedních vyšších a nižších frekvencích, která přenášejí signály (jako jsou hlasy nebo hudba). V případě gravitačních vln přenášejí tato postranní pásma signály o přítomnosti planety.

Bílí trpaslíci jsou objekty o velikosti Země, které kdysi bývaly hvězdami jako je naše Slunce. Ačkoliv exoplanety byly detekovány kolem pár izolovaných bílých trpaslíků, zatím žádná nebyla objevena u binárních bílých trpaslíků. To znamená, že detekce misí LISA by představovala zcela novou populaci exoplanet. Astronomové odhadují, že naše galaxie Mléčná dráha obsahuje 10 milionů systémů s dvojitými bílými trpaslíky, jejichž oběžná doba je méně než jedna hodina a které generují gravitační vlny ve správném rozsahu, který LISA může najít. Očekávají, že LISA prozkoumá okolo 10 000 jednotlivých systémů, ale i okolo stovky smíšených binárních systémů, které kombinují bílé trpaslíky, neutronové hvězdy či černé díry, které kolem sebe obíhají v podobných intervalech.

„Jakmile LISA zachytí první detekce exoplanet, bude pro nás kriticky důležité potvrdit některé z nich,“ vysvětluje Mary Anne Limbach, pomocná výzkumnice na University of Michigan a spoluautorka potvrzujícího článku a dodává: „Díky těmto společným pozorováním budeme moci potvrdit, že gravitační signály odpovídají skutečným planetám, a nejde tedy o falešně pozitivní výsledky.“

Tým popsal novou metodu pro potvrzení těchto planet, která využívá infračervenou citlivost teleskopu Jamese Webba. Planeta v systému dvojitých bílých trpaslíků vytváří větší množství infračerveného záření, než by se dalo očekávat od samotných hvězd. Přístrojové vybavení Webbova teleskopu dokáže snadno detekovat tento infračervený přebytek až na vzdálenost nejméně 500 světelných let. S využitím této metody pro potvrzování těchto planet vědci zjistili, že by Webbův teleskop mohl detekovat exoplanetu přibližně pětkrát větší než Jupiter, zatímco LISA bude schopna objevit za ideálních podmínek i světy menší než je Jupiter.

Observatoř LISA bude tvořit trojice sond obíhajících Slunce, které budou následovat Zemi. V prostoru vytvoří trojúhelník se stranou o délce 2,5 milionu kilometrů. Každá ze tří sond ponese dva teleskopy, které využijí infračervené laserové svazky k nepřetržitému odesílání a přijímání signálů mezi sondami navzájem. S pomocí těchto teleskopů budou sondy měřit droboučké změny v jejich relativní vzdálenosti (změny budou menší než průměr atomu helia!), což jsou právě signály procházejících gravitačních vln. Fenomén gravitačních vln známe už od roku 1916, kdy je v rámci své obecné teorie relativity představil Albert Einstein, poprvé však byly detekovány observatořemi na povrchu Země až v roce 2015.

Tyto vlny vznikají, kdykoliv jsou masivní objekty urychlovány – třeba když kolem sebe navzájem krouží dvě hvězdy. Tyto vlny cestují časoprostorem rychlostí světla a nejsou ovlivněny objekty, které po cestě potkají. Tyto vlastnosti z nich dělají cenný nástroj pro studium vesmíru. Dodatečný podíl NASA na misi LISA zahrnuje laserový systém, zařízení schopné vytvářet elektrický náboj na testovacích hmotách, datové analýzy pro identifikaci a charakterizaci individuálních zdrojů gravitačních vln a dodatečnou vědeckou a inženýrskou expertízu.