NASA bilim insanları gösterdi: Kütleçekim dalgaları yeni ötegezegenleri ortaya çıkarabilir

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) gözlemevi şu anda geliştirme aşamasında ve yörüngede dönen kütelerin yol açtığı minik uzay-zaman dalgacıkları olan kütleçekim dalgalarını algılayacak. NASA'lı astrofizikçilerin yürüttüğü iki yeni çalışma, LISA'nın galaksimiz boyunca yeni ve benzersiz bir ötegezegen — Güneş Sistemi'nin dışındaki dünyalar — nüfusunu nasıl ortaya çıkarabileceğini daha ayrıntılı biçimde gösteriyor.

“LISA için en yaygın kaynağın çift beyaz cüce sistemleri, yani sıkı yörüngelerde dönen beyaz cücelerden oluşan ikili sistemler olması bekleniyor,” dedi Maryland Üniversitesi Baltimore County'de (UMBC) ve NASA'nın Maryland, Greenbelt'teki Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Casey McGrath. “Bu sistemlerden birinin çevresinde bir ötegezegen de dönüyorsa, varlığı kütleçekim dalgası sinyalinin üzerine, bizim ortaya çıkarabileceğimiz bir biçimde işlenmiş olur.”

Salı günü The Astrophysical Journal'da yayımlanan iki makale bulguları ayrıntılı biçimde anlatıyor. Yalnızca McGrath'ın kaleme aldığı ilk makale, tespit yöntemini inceliyor ve yöntemin en iyi çalışacağı gezegen kütlelerini ve yörünge periyotlarını belirliyor. McGrath ile ortak yazarların hazırladığı ikinci makale ise bu tür gezegenlerin NASA'nın James Webb Uzay Teleskobu'yla nasıl doğrulanabileceğini araştırıyor.

LISA çift beyaz cüce sistemlerinin çevresinde ötegezegen tespit etme olasılığını ilk kez 2008'de Japon astronom Naoki Seto öne sürmüştü.

ESA'nın (Avrupa Uzay Ajansı) önderlik ettiği LISA görevinin fırlatılması 2030'ların ortasına planlanıyor. NASA, iş birliği ortağı olarak teleskopları, diğer kritik donanımı ve mühendislik ile bilimsel desteği sağlıyor; amacı evrenin nasıl işlediğini daha iyi anlamak.

LISA'nın tespit yöntemi, ışığı kullanan ve yakındaki yıldızların çevresinde ötegezegen bulmak için hâlihazırda kullanılan “radyal hız” yöntemine benziyor. Bir gezegen yörüngede dönerken kütleçekimi ev sahibi yıldızı çeker ve yıldıza küçük bir tepki hareketi, yani sallanma kazandırır. Bu sallanma yıldızın tayfının salınmasına yol açar: Yıldız bizden uzaklaşırken tayf çizgileri daha kırmızı dalga boylarına, bize yaklaşırken daha mavi dalga boylarına kayar. Bu kayma, Doppler etkisi denen olgudan kaynaklanır.

“Kütleçekim dalgalarında da benzer bir şey olur,” dedi NASA Goddard'da kuramsal astrofizikçi olan ve doğrulama makalesinin ortak yazarlarından Scott Noble. “Çift beyaz cüceler tek başlarına neredeyse sabit bir frekansta kütleçekim dalgası yayar. Sisteme yeterince kütleli bir gezegen eklenirse, bu gezegenin varlığı ikilinin tepki hareketi yapmasına, yani kütleçekim sinyaline bir Doppler modülasyonu eklenmesine yol açar.”

LISA için bu modülasyon, ana sinyalden hem daha yüksek hem daha alçak frekanslarda ortaya çıkan ikincil sinyaller olan yan bantlar şeklinde görünecek.

McGrath durumu, ana radyo taşıyıcı frekansının enerjisinin bir kısmının komşu üst ve alt frekanslardaki yan bantları oluşturmak için kullanıldığı ve bu bantların mesajları (ses ya da müzik gibi) taşıdığı modern radyo iletişimine benzetiyor. Kütleçekim dalgalarında ise yan bantlar bir gezegenin varlığına dair mesajlar taşıyor.

Beyaz cüceler, Güneş gibi yıldızların Dünya büyüklüğündeki kalıntılarıdır. Birkaç yalnız beyaz cücenin çevresinde ötegezegenler tespit edilmiş olsa da henüz hiçbiri çift beyaz cücenin çevresinde bulunmadı; bu da LISA tespitlerinin ayrı ve yeni bir ötegezegen nüfusunu temsil edeceği anlamına geliyor.

Gökbilimciler, Samanyolu galaksimizin yörünge periyodu bir saatten kısa olan 10 milyon çift beyaz cüce sistemi barındırdığını, bunların LISA'nın bulabileceği aralıkta kütleçekim dalgaları ürettiğini tahmin ediyor. LISA'nın yaklaşık 10.000 tekil sistemi çözümleyeceği, ayrıca benzer periyotlarda dönen — beyaz cüceler, nötron yıldızları ya da kara deliklerden oluşan — yaklaşık 100 karma ikiliyi ayırt edeceği bekleniyor.

“LISA ilk ötegezegen tespitlerini yaptığında, bazılarını doğrulamamız kritik önem taşıyacak,” dedi Michigan Üniversitesi'nde yardımcı araştırma bilim insanı olan ve doğrulama makalesinin ortak yazarı Mary Anne Limbach. “Bu ortak tespitler, kütleçekim sinyallerinin yanlış pozitifler değil, gerçek gezegenlere karşılık geldiğini ortaya koymamızı sağlayacak.”

Ekip, Webb teleskobunun kızılötesi duyarlılığından yararlanarak bu gezegenleri doğrulamak için yeni bir yöntem tanımladı. Çift beyaz cüce sistemindeki bir gezegen, yıldızların kendilerinden beklenenden daha büyük bir kızılötesi ışık payı üretir. Webb'in aygıtları bu kızılötesi fazlalığı en az 500 ışık yılı uzaklığa kadar kolayca algılayabiliyor.

Araştırmacılar bu uzaklıktaki bir test sistemi için tekniği kullandıklarında, Webb'in Jüpiter'in yaklaşık beş katı kütleli bir ötegezegeni algılayabileceğini, LISA'nın ise ideal koşullarda Jüpiter'den daha az kütleli bir ötegezegeni algılayabileceğini buldu.

LISA gözlemevi, Dünya'nın Güneş çevresindeki yörüngesini izleyen üç uzay aracından oluşacak. Bu araçlar her kenarı 1,6 milyon mil (2,5 milyon kilometre) uzunluğunda devasa bir üçgen dizi oluşturacak. Her uzay aracında, komşu araçlar arasında sinyal iletmek ve almak için aynı anda kızılötesi lazer ışınları kullanan iki teleskop bulunacak. Uzay araçları bu teleskoplar aracılığıyla, bağıl uzaklıklarındaki, bir helyum atomunun genişliğinden bile küçük olan ve geçen kütleçekim dalgalarının imzasını oluşturan çok küçük değişimleri ölçecek.

Kütleçekim dalgaları Albert Einstein'ın 1916 tarihli genel görelilik kuramı tarafından öngörülmüş, ilk kez 2015'te yer tabanlı gözlemevlerince algılanmıştı. Bu dalgalar, birbirinin çevresinde yörüngede dönen iki yıldız gibi büyük kütleli nesneler ivmelendiğinde oluşur. Uzay-zamanda ışık hızıyla yayılır ve yol boyunca karşılaştıkları nesnelerden etkilenmez. Bu özellikler onları evreni araştırmak için değerli bir araç kılıyor.

NASA'nın göreve yaptığı diğer katkılar arasında lazer sistemi, kanıt kütlelerinde elektrik yükü birikimini yönetecek aygıtlar, tekil kütleçekim dalgası kaynaklarını belirlemek ve nitelemek için veri analizi ile ek bilimsel ve mühendislik uzmanlığı yer alıyor.