Планети біля пар білих карликів, залишків зір на кшталт Сонця, досі не вдавалося знайти жодним методом. Їх можна буде шукати за гравітаційними хвилями. Під дією тяжіння масивної планети подвійна система злегка коливається, і цей рух залишає слід у гравітаційних хвилях, що від неї розходяться. Такий слід вловлюватимуть за допомогою майбутньої космічної гравітаційно-хвильової обсерваторії LISA, а знахідки перевірятимуть телескопом James Webb.
Як планета змінює сигнал
Білі карлики в тісних подвійних системах обертаються один навколо одного і випромінюють гравітаційні хвилі майже незмінної частоти. Якщо поруч є досить масивна планета, пара рухається навколо спільного з нею центру мас і періодично то наближається до нас, то віддаляється. Коли пара наближається, гребені хвиль доходять до Землі частіше і їхня частота зростає, тобто відбувається синє зміщення. А коли віддаляється, частота зменшується, і це — червоне зміщення. Обидва ефекти є проявом ефекту Доплера, і для гравітаційних хвиль ці терміни означають лише зсув частоти, а не колір.
У даних LISA це виглядатиме як бічні смуги, тобто слабші сигнали трохи вище й нижче основної частоти. Без планети пара дає в спектрі один вузький пік, а періодичне коливання частоти розкладає частину сигналу на два додаткові піки обабіч нього. Відстань між ними й основним піком відповідає частоті обертання планети, а за їхньою силою можна оцінити її масу. Кейсі Макґрат із Центру космічних польотів імені Ґоддарда NASA та Університету Мериленду в окрузі Балтимор порівнює їх із бічними смугами в радіозв’язку. Так можна буде помітити планету масою з Юпітер на відстані в тисячі світлових років.
Подібний підхід давно працює в пошуках екзопланет. Методом радіальних швидкостей планети знаходять за доплерівським зсувом ліній у спектрі материнської зорі, лише тут замість світла — хвилі простору-часу. Ідею застосувати цей метод до подвійних білих карликів ще у 2008 році запропонував японський астроном Наокі Сето. Тепер у статті, опублікованій у рецензованому журналі The Astrophysical Journal, визначено, для яких мас планет і періодів їхнього обертання він працює найкраще.
Нова популяція планет
Біля кількох одиночних білих карликів планети вже знайшли, а біля подвійних — жодної. Найвідоміший приклад, гігант WD 1856+534 b розміром із Юпітер, помітили у 2020 році за допомогою телескопа TESS, і рік на ньому триває 34 години. Знахідки LISA, як повідомляє NASA, сформують окрему, досі невідому популяцію екзопланет. Тоді доведеться з’ясувати, як ці планети пережили розширення обох зір до червоних гігантів або чи утворилися вони вже після цього.
Вибір буде чималий. У Галактиці, за оцінками, близько 10 млн подвійних білих карликів з орбітальним періодом менш ніж година. За допомогою LISA окремо вдасться розрізнити приблизно 10 тис. таких систем і ще близько сотні змішаних пар, де поруч із білим карликом нейтронна зоря або чорна діра.
Перевірка в інфрачервоному діапазоні
Друга стаття в тому самому журналі присвячена підтвердженню знахідок. Холодна планета випромінює переважно в інфрачервоному діапазоні, тому система з нею в цьому діапазоні яскравіша, ніж самі білі карлики. Такий надлишок можна зафіксувати за допомогою James Webb щонайменше до 500 світлових років.
Чутливість двох інструментів різна. На цій відстані за допомогою телескопа вдасться помітити планету, приблизно вп’ятеро масивнішу за Юпітер. У даних LISA за ідеальних умов буде помітна навіть планета, легша за Юпітер.
Мері Енн Лімбах із Мічиганського університету наголошує, що спільні спостереження допоможуть відрізнити справжні планети від хибних сигналів. Над роботою працював і теоретик Скотт Нобл із Центру Ґоддарда.
Запуск у 2030-х
Місію LISA очолює Європейська космічна агенція, а запуск запланований на середину 2030-х років. Три апарати рухатимуться навколо Сонця орбітою Землі й утворять трикутник зі стороною 2,5 млн км. Це приблизно в шість з половиною разів більше за відстань від Землі до Місяця, яка становить 384 тис. км.
Інфрачервоні лазерні промені фіксуватимуть, як гравітаційні хвилі змінюють відстань між апаратами, хоча ці зміни менші за діаметр атома гелію. Бічні смуги від планети слабші за основний сигнал, тож шукати їх доведеться серед найдрібніших коливань у цих даних.
