Uzay-zamandaki dalgalanmalar yeni ötegezegenleri nasıl ortaya çıkarabilir?

Şu anda geliştirilmekte olan LISA (Lazer İnterferometre Uzay Anteni) gözlemevi, yörüngedeki kütlelerin uzay-zamanda neden olduğu küçük dalgalanmalar olan yerçekimi dalgalarını tespit edecek. Artık NASA astrofizikçileri tarafından yürütülen iki çalışma, LISA’nın galaksimiz boyunca yeni ve benzersiz bir ötegezegen popülasyonunu (güneş sistemimizin ötesindeki dünyalar) nasıl ortaya çıkarabileceğini yeni ayrıntılarla gösteriyor.

Maryland Üniversitesi, Baltimore County ve NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Casey McGrath, “LISA’nın en yaygın kaynağının, dar yörüngelerdeki beyaz cücelerden oluşan ikili dosyalar olan çift beyaz cüce sistemleri olması bekleniyor” dedi. “Eğer bir dış gezegen de bu sistemlerden birinin yörüngesinde dönüyorsa, onun varlığı, ortaya çıkarabileceğimiz bir şekilde yerçekimsel dalga sinyaline damgasını vurur.”

İki makale yayımlandı Astrofizik Dergisi bulguları detaylandırın. Yalnızca McGrath tarafından yazılan ilki, tespit yöntemini inceliyor ve bu yöntemin en iyi çalışacağı gezegen kütlelerini ve yörünge dönemlerini belirliyor. McGrath ve ortak yazarlar tarafından hazırlanan ikinci makale, bu tür gezegenlerin NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu kullanılarak nasıl doğrulanabileceğini araştırıyor.

LISA çift beyaz cüce sistemleri etrafındaki dış gezegenleri tespit etme olasılığı ilk olarak 2008 yılında Japon gökbilimci Naoki Seto tarafından önerildi.

ESA (Avrupa Uzay Ajansı) liderliğindeki LISA misyonunun 2030’ların ortalarında başlatılması planlanıyor. İşbirlikçi bir ortak olarak NASA, evrenin nasıl çalıştığını daha iyi anlama misyonunun bir parçası olarak teleskoplara, diğer kritik donanıma, mühendislik ve bilimsel desteğe katkıda bulunuyor.

Gezegensel yalpalamalar yerçekimsel parmak izleri bırakıyor

LISA tespit yöntemi, ışık kullanan ve halihazırda yakındaki yıldızların etrafındaki ötegezegenleri bulmak için kullanılan radyal hız adı verilen yönteme benzer. Bir gezegen yörüngede dönerken, yerçekimi, ev sahibi yıldızına doğru çekilir ve ona küçük bir refleks hareketi veya yalpalama verir. Bu yalpalama, yıldızın spektrumunun salınmasına neden olur; spektral çizgiler, yıldız bizden uzaklaştıkça daha kırmızı dalga boylarından, yıldız bize doğru ilerledikçe daha mavi dalga boylarına doğru kayar. Bu değişim Doppler etkisi adı verilen bir olgudan kaynaklanmaktadır.

NASA Goddard’da teorik astrofizikçi ve onay belgesinin ortak yazarlarından Scott Noble, “Yerçekimi dalgalarında da benzer bir şey meydana geliyor” dedi. “Çift beyaz cüceler kendi başlarına neredeyse sürekli bir frekansta yerçekimsel dalgalar yayarlar. Sisteme yeterince büyük bir gezegen ekleyin ve onun varlığı, ikilinin refleks hareket deneyimlemesine neden olur ve yerçekimsel sinyale bir Doppler modülasyonu ekler.”

LISA için bu modülasyon, birincil olandan hem daha yüksek hem de daha düşük frekanslarda ikincil sinyaller olan yan bantlar olarak görünecektir.

McGrath bu durumu, ana radyo taşıyıcı frekansının enerjisinin bir kısmının, mesajları (sesler veya müzik gibi) taşıyan bitişik üst ve alt frekanslarda yan bantlar oluşturmaya gittiği modern radyo iletişimine benzetiyor. Yerçekimi dalgaları için yan bantlar bir gezegenin varlığına ilişkin mesajlar taşır.

Yıldız kalıntılarının etrafında gizli bir popülasyon

Beyaz cüceler, Güneş gibi yıldızların Dünya büyüklüğündeki kalıntılarıdır. Birkaç izole beyaz cücenin çevresinde dış gezegenler tespit edilmiş olsa da, ikili bir beyaz cücenin çevresinde henüz hiçbiri bulunmadı; bu, LISA tespitlerinin farklı bir yeni dış gezegen popülasyonunu temsil edeceği anlamına geliyor.

Gökbilimciler, Samanyolu galaksimizin, LISA’nın bulması için doğru aralıkta yerçekimsel dalgalar üreten, yörünge periyotları bir saatten kısa olan 10 milyon çift beyaz cüce sistemi içerdiğini tahmin ediyor. LISA’nın, benzer dönemlerde yörüngede dönen yaklaşık 10.000 bireysel sistemin yanı sıra beyaz cüceler, nötron yıldızları veya kara deliklerden oluşan yaklaşık 100 karışık ikili dosyayı çözeceğini umuyorlar.

Webb, LISA’nın gezegen tespitlerini doğrulayabilir

Michigan Üniversitesi’nde araştırma görevlisi yardımcısı ve onay belgesinin ortak yazarı Mary Anne Limbach, “LISA ilk ötegezegen tespitlerini yakaladığında, bunlardan bazılarını doğrulamak bizim için kritik öneme sahip olacak” dedi. “Bu ortak tespitler, yerçekimi sinyallerinin yanlış pozitiflerden ziyade gerçek gezegenlere karşılık geldiğini belirlememize olanak tanıyacak.”

Ekip, Webb teleskopunun kızılötesi duyarlılığından yararlanarak bu gezegenleri doğrulamak için yeni bir yöntem açıkladı. Çift beyaz cüce sistemindeki bir gezegen, yıldızlardan beklenenden daha büyük miktarda kızılötesi ışık üretir. Webb’in cihazları, en az 500 ışıkyılı uzaklıktaki bu kızılötesi fazlalığı kolaylıkla tespit edebiliyor.

Bu mesafedeki bir test senaryosu sistemi için bu tekniği kullanan araştırmacılar, Webb’in Jüpiter’in kütlesinin yaklaşık beş katı büyüklüğünde bir ötegezegen tespit edebildiğini, LISA’nın ise ideal koşullar altında Jüpiter’in altındaki bir ötegezegeni tespit edebildiğini buldu.

Milyonlarca mil boyunca dalgaların ölçülmesi

LISA gözlemevi, Güneş’in etrafında dönerken Dünya’yı takip eden üçlü uzay aracından oluşacak. Her iki tarafta 1,6 milyon mil (2,5 milyon kilometre) uzanan geniş bir üçgen dizi oluşturacaklar. Her uzay aracı, bitişik uzay aracı arasında sinyalleri aynı anda iletmek ve almak için kızılötesi lazer ışınlarını kullanacak iki teleskop içerecektir. Bu teleskoplar aracılığıyla uzay aracı, göreceli mesafelerdeki küçük değişiklikleri (bir helyum atomunun genişliğinden daha küçük) ve geçen yerçekimi dalgalarının sinyallerini ölçecek.

Yerçekimi dalgaları, Albert Einstein’ın 1916’daki genel görelilik teorisi tarafından tahmin edilmişti ve ilk olarak 2015 yılında yer tabanlı gözlemevleri tarafından tespit edildi. Dalgalar, birbirinin etrafında yörüngede bulunan iki yıldız gibi büyük nesnelerin hızlanmasıyla oluşur. Uzay-zamanda ışık hızında hareket ederler ve yol boyunca karşılaştıkları nesnelerden etkilenmezler. Bu özellikler onları kozmosu araştırmak için değerli bir araç haline getiriyor.

NASA’nın göreve yaptığı ek katkılar arasında lazer sistemi, kanıt kütleleri üzerinde elektrik yükü oluşumunu yöneten cihazlar, bireysel yerçekimsel dalga kaynaklarını tanımlamak ve karakterize etmek için veri analizi ve ek bilimsel ve mühendislik uzmanlığı yer alıyor.