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Dr. Nicola Tamanini
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Dr. Elke Müller
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Veröffentlichung

1.
N. Tamanini, C. Danielski
The gravitational-wave detection of exoplanets orbiting white dwarf binaries using LISA

Exoplaneten mit Gravitationswellen entdecken

8. Juli 2019

In einem aktuellen Beitrag in der Fachzeitschrift Nature Astronomy machen Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam und des französischen Centre de Recherche CEA Saclay in Paris einen Vorschlag, wie das geplante weltraumgestützte Gravitationswellen-Observatorium LISA Exoplaneten aufspüren kann. Und zwar solche, die in unserer Milchstraße und in den nahegelegenen Magellanschen Wolken Doppelsternsysteme Weißer Zwerge umkreisen. Diese neue Methode wird die Möglichkeiten der derzeitigen elektromagnetischen Beobachtungsmethoden erweitern und könnte es LISA ermöglichen, Planeten von mindestens 50 Erdmassen aufzuspüren.

In den letzten zwanzig Jahren haben wir sehr viel über Exoplaneten gelernt: mehr als 4000 Planeten, die viele verschiedene Sterne umkreisen, wurden entdeckt. Bisher basieren die Methoden zum Auffinden und Charakterisieren dieser Systeme auf elektromagnetischer Strahlung und beschränken sich auf  unsere nächste kosmische Nachbarschaft und einige Bereiche unserer Galaxie.

Künstlerische Darstellung von Gravitationswellen, die durch ein kompaktes Paar Weißer Zwerge, umkreist von einem Planeten mit der Masse des Jupiters, erzeugt werden. Bild vergrößern
Künstlerische Darstellung von Gravitationswellen, die durch ein kompaktes Paar Weißer Zwerge, umkreist von einem Planeten mit der Masse des Jupiters, erzeugt werden. [weniger]

In einem heute in Nature Astronomy veröffentlichten Beitrag zeigen Dr. Nicola Tamanini, Wissenschaftler am AEI in Potsdam und seine Kollegin Dr. Camilla Danielski, Wissenschaftlerin am CEA/Saclay (Paris) nun, wie sich mittels der Gravitationswellen-Astronomie die bisherigen Einschränkungen überwinden lassen. „Wir schlagen eine Methode vor, die mittels Gravitationswellen Exoplaneten findet, die ein Paar Weißer Zwerge umrunden“, sagt Nicola Tamanini. Weiße Zwerge sind sehr alte, kleine Überreste von Sternen, die einst unserer Sonne ähnelten. „LISA wird Gravitationswellen von Tausenden von Doppelsystemen Weißer Zwerge messen. Wenn ein Planet ein solches Paar umkreist, wird das beobachtete Gravitationswellenmuster anders aussehen als das von einem ohne Planeten. Diese charakteristische Veränderung der Gravitationswellenformen wird es uns ermöglichen, Exoplaneten zu entdecken.“

Doppler-verschobene Gravitationswellen

Das neue Verfahren nutzt die Dopplerverschiebung des Gravitationswellensignals, die durch die Anziehungskraft des Planeten auf die Weißen Zwerge entsteht. Diese Technik ist das Gravitationswellen-Analogon der Radialgeschwindigkeitsmethode, einer Technik, mit der Exoplaneten mit herkömmlichen elektromagnetischen Teleskopen entdeckt werden können. Der Vorteil der Gravitationswellen besteht jedoch darin, dass sie nicht von der Aktivität der Sterne und damit verbundenen Helligkeitsschwankungen beeinflusst werden, die Entdeckungen im elektromagnetischen Bereich behindern können.

Tamanini und Danielski zeigen in ihrem Artikel, dass die bevorstehende ESA-Mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna), die 2034 gestartet werden soll, jupiterschwere Exoplaneten um Doppelsysteme Weißer Zwerge überall in unserer Galaxie nachweisen kann. Damit werden die Messgrenzen elektromagnetischer Teleskope überwunden, die nur über kürzere Distanzen beobachten können. Die Autoren betonen, dass LISA das Potenzial haben wird, solche Exoplaneten auch in nahegelegenen Galaxien nachzuweisen. Das könnte möglicherweise zur Entdeckung des ersten extragalaktischen Exoplaneten führen.

„LISA wird auf eine Population von Exoplaneten treffen, die noch überhaupt nicht untersucht wurde“, erklärt Tamanini. „Aus theoretischer Sicht spricht nichts gegen die Anwesenheit von Exoplaneten um enge Doppelsysteme Weißer Zwerge.“ Wenn diese Systeme existieren und LISA sie findet, werden den Wissenschaftler*innen neue Daten zur Verfügung stehen, mit denen sie die Theorie der Planetenentstehung weiter verbessern können. Sie werden die Bedingungen, unter denen ein Planet die Rote-Riesen-Phase der Sternentwicklung überleben kann, besser verstehen und auch die Existenz einer zweiten Generation von Planeten testen. Das sind Planeten, die sich nach der Phase als Roter Riese bilden.

Spürt LISA keine Exoplaneten auf, die Doppelsternsysteme aus Weißen Zwergen umkreisen, können die Wissenschaftler*innen Grenzen für die Endphase der Planetenentwicklung in unserer Milchstraße formulieren.

 
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