LISA i fale grawitacyjne. Tak mają ruszyć łowy na nowe egzoplanety

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) to planowane kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych, czyli subtelnych zmarszczek czasoprzestrzeni wywoływanych ruchem masywnych obiektów. Choć misja wciąż jest na etapie projektowania, analizy amerykańskich astrofizyków sugerują, że instrument może posłużyć nie tylko do badań samych fal, ale też do poszukiwania egzoplanet. Chodzi o obiekty krążące wokół podwójnych białych karłów znajdujących się w naszej galaktyce.

Postdoktor Casey McGrath z University of Maryland zwraca uwagę, że najbardziej typowymi sygnałami rejestrowanymi przez LISA będą układy dwóch białych karłów poruszających się po bardzo ciasnych orbitach. Jeśli w pobliżu takiej pary gwiazd krąży planeta, jej wpływ grawitacyjny powinien odcisnąć się w zarejestrowanej fali grawitacyjnej. W swoich badaniach McGrath sprawdzała, jakich mas planet oraz jakich okresów orbitalnych można oczekiwać w danych zbieranych przez LISA.

Zasada stojąca za takim wykrywaniem przypomina podejście znane z metody prędkości radialnej, opartej na efekcie Dopplera. W obserwacjach optycznych planeta, oddziałując na gwiazdę, wywołuje jej ruch, co przekłada się na przesuwanie linii widmowych. W przypadku LISA analogiczny "taniec" całego układu miałby zmieniać przebieg sygnału fal grawitacyjnych: modulacja powodowałaby pojawienie się dodatkowych, pobocznych składowych o częstotliwościach nieco wyższych i nieco niższych od częstotliwości głównego sygnału.

Astronomowie zakładają, że w Drodze Mlecznej może istnieć nawet 10 mln podwójnych układów białych karłów, których okresy orbitalne mieszczą się w zakresie czułości LISA. Oczekuje się, że misja wyłapie około 10 tys. takich pojedynczych systemów, a dodatkowo mniej więcej 100 układów mieszanych, gdzie w parach występują także gwiazdy neutronowe lub czarne dziury.

Zespół zaproponował również sposób weryfikowania planet wykrytych w sygnale fal grawitacyjnych przy użyciu Teleskopu Jamesa Webba. Uzasadnienie jest takie, że planety w tych układach mają dawać nadwyżkę emisji w podczerwieni, którą instrumenty mogą zarejestrować nawet z odległości do 500 lat świetlnych. Według autorów taką drogą Webb mógłby dostrzec planetę pięć razy masywniejszą od Jowisza, natomiast LISA – przy sprzyjających warunkach – miałaby szansę wskazywać również mniejsze obiekty.

Koncepcja LISA zakłada układ trzech sond lecących po orbicie wokół Słońca w pobliżu Ziemi i "podążających" za nią, tak by tworzyły trójkąt. Długość każdego boku tej figury ma wynosić 2,5 mln km. Na pokładzie każdej sondy znajdą się dwa teleskopy do wysyłania i odbierania wiązek laserowych, co ma umożliwić pomiary minimalnych zmian odległości – mniejszych niż średnica atomu helu – wywołanych przechodzeniem fal grawitacyjnych.

Misja LISA jest rozwijana przez Europejską Agencję Kosmiczną we współpracy z NASA, która dokłada komponent technologiczny i naukowy. Naukowcy zakładają, że po wyniesieniu obserwatorium w połowie lat 30. XXI wieku możliwe będzie wykrywanie egzoplanet metodą opartą na falach grawitacyjnych – czyli docieranie do "nowych światów", których obserwacje w świetle widzialnym mogą być skrajnie trudne lub wręcz niemożliwe.