現在已知有超過 4,000 顆系外行星圍繞其他恆星執行。事實上,天文學家懷疑這樣的世界無處不在,估計銀河系中的每顆恆星平均都至少有一顆行星伴星。但問題就在於此:雖然系外行星似乎無處不在,但用“無處不在”來描述天文學家實際觀測到的位置遠非事實。絕大多數系外行星巡天都堅持觀測鄰近太陽的恆星,或者更遠處的、朝向銀河系中心銀河核球方向的恆星。 事實上,沒有人真正知道整個銀河系中行星的真實丰度,也不知道銀河系以外的其他星系中行星的普遍程度。
根據 7 月 8 日發表在《自然·天文學》雜誌上的一項研究,完成這項系外行星普查的一個重要步驟可能在 2034 年開始,屆時歐洲航天局的 LISA 任務將發射升空。LISA 代表雷射干涉空間天線,這個名稱暗示了該任務的主要目的:透過尋找三個衛星之間距離的微小變化來探測時空中的漣漪——引力波,這三個衛星呈三角形排列,邊長為 250 萬公里。LISA 將被定製用於探測來自超大質量黑洞合併的引力波,但顯然它也可以收聽來自某些系外行星系統的引力波。
最近這項研究的合著者、德國波茨坦馬克斯·普朗克引力物理研究所的天體物理學家尼古拉·塔馬尼尼解釋說,LISA 可以獨特地探測某些型別的雙星系統中各種各樣的行星。“而且,”他說,“實際上,如果條件允許,LISA 應該能讓我們在整個銀河系、麥哲倫星雲甚至仙女座星系中進行探測。”
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探測工作原理如下:當兩顆恆星形成雙星系統時,它們並非嚴格地相互繞軌道執行;而是圍繞一個共同的質心執行。如果一個行星天體存在於這樣的系統中,行星的引力影響將擾亂這個質心,使其與行星來回拉扯同步地週期性擺動。擺動的強度將提供行星質量的估計值,而擺動隨時間的重複出現將揭示行星的軌道週期。對於基於光的光學望遠鏡來說,這種擺動幾乎總是太小而無法被看到。但是,這種擺動可以被識別為來自雙星系統的引力波的微妙週期性調製。對於一類雙星——由兩顆白矮星組成的系統,即類太陽恆星的燃盡殘骸——這種調製應該可以被 LISA 探測到。
塔馬尼尼說,天文學家已經知道白矮星雙星系統大量存在,並且預計僅在我們的銀河系中就能使用 LISA 看到數萬個。此類系統產生的引力波實際上將用於校準任務的觀測,從而保證 LISA 將會進行調諧。他說,即使只有 1% 的銀河系白矮星雙星擁有行星,LISA 也應該能發現數百個這樣的世界。
約翰·霍普金斯大學天體物理學博士生、LISA 聯盟的附屬成員卡茲·王(未參與最近的研究)對這項研究的發現表示歡迎。他說:“之前的研究已經考察了使用引力波探測圍繞單顆恆星執行的系外行星的可能性,但我們進行的工作表明,這種組合產生的引力波太弱而無法探測到。” 王說,這種方法更有希望,因為白矮星雙星產生的引力波比行星圍繞孤星旋轉產生的引力波強得多。“一旦引力波被探測到,”他說,“我們可以將我們的電磁儀器指向它們,並確定系外行星源的更多細節。”
儘管這種新方法對於探測整個銀河系甚至鄰近星系中的行星都很有前景,但天文學家仍然很難了解更多關於這些新發現的世界的資訊。除了最初基於引力波的探測提供的軌道週期和質量估計之外,使用傳統望遠鏡進行的後續觀測或許可以精確確定行星的精確質量和大小以及其他軌道引數。研究合著者卡米拉·丹尼爾斯基是法國替代能源和原子能委員會的研究員,她表示,即使考慮到未來的技術進步,對 LISA 發現的任何行星進行的此類望遠鏡觀測也將僅限於銀河系相對附近的區域,大約在我們太陽系 10,000 到 20,000 光年範圍內。
此外,這項技術不太可能產生任何宜居的、類地球的行星。白矮星本質上是恆星屍體,是類太陽恆星耗盡核燃料後留下的緩慢冷卻的核心。但在恆星變成白矮星之前,它首先會經歷紅巨星階段,在此階段它的體積會膨脹,膨脹到足以燒焦甚至吞噬任何近距離行星。因此,王說,任何倖存的世界都可能不適合居住——而那些產生最強引力波訊號的世界將不舒服地靠近它們的白矮星宿主。更根本的是,無法保證 LISA 會發現任何系外行星——因為對於世界是否以及如何在如此極端的雙星系統中產生和持續存在知之甚少。
但丹尼爾斯基指出,即使在白矮星雙星周圍沒有發現行星,這種零結果仍然可以提供有關行星演化的有用見解。
“到目前為止,沒有人考慮過對像這樣的雙星系統周圍的系外行星進行建模,”她說,“所以我們對它們的存在知之甚少。” 發現這些行星將表明這樣的世界可以以某種方式在它們的恆星死亡中倖存下來——或被複活。完全沒有發現將為整個銀河系提供一個新的約束,即行星根本不可能存在於哪裡。在一個據稱充滿了世界等待探索的宇宙中,知道不應該在哪裡尋找將是一件有用的事情。
丹尼爾斯基說:“最終,以這種方式使用 LISA,我們將確定關於整個銀河系行星形成的一些確定的事情。”
