Ved hvert offentlig foredrag om eksoplaneter stiller noen nødvendigvis et spørsmål om eksoplanetsatellitter. Spørsmålet er så interessant at det fortjener en egen artikkel.
For øyeblikket nærmer antall eksoplaneter seks tusen (inkludert ubekreftede). Hvor mange store satellitter skal disse planetene ha? Ser vi på solsystemet vårt, kan vi anta at omtrent det samme - vi har syv satellitter på størrelse med månen og større (Moon, Io, Europa, Ganymede, Callisto, Titan, Triton) per åtte planeter. Hva med satellittene til eksoplaneter? Akk, så langt nesten ingenting. Likevel begynner de første, ennå vage, resultatene å dukke opp.
Satellittene til planetene er interessante fordi liv er mulig på dem, selv om planeten er gigantisk og i seg selv på ingen måte er tilpasset livet. For eksempel ble det funnet ganske mange gigantiske planeter i den "beboelige sonen" (45 ifølge 2014-data). Hvis de har store nok satellitter, hvorfor skal ikke liv oppstå på dem? Det skal være en fantastisk utsikt: en gigantisk planet som dominerer himmelen, synlig både natt og dag. Et slikt bilde inspirerer selvfølgelig kunstnere, og til en viss grad forskere, til å jobbe med Keplers data. Tilsynelatende er disse dataene det eneste stedet der en exoplanet-satellitt for øyeblikket kan bli oppdaget.
For det første noen nyttige konsepter.
En planetens satellitt kan ikke dreie seg rundt den på noen avstand. Størrelsen på bane er begrenset ovenfra av den såkalte Hill-sfæren, utenfor hvilken satellitten forlater planetens gravitasjonsfelt og blir en uavhengig følgesvenn til stjernen. Her er radiusen til denne sfæren for det enkleste tilfellet, når satellittens bane er sirkulær: RH = a (m / 3M) 1/3, hvor a er den halvhovedaksen til planetens bane, m er planetens masse, M er stjernens masse. For jorden er Hill-radius omtrent 1,5 millioner km. Litt lenger unna ligger Lagrange-punktene L1 og L2, hvor romteleskoper blir tatt ut. Hill's radius nær Neptune, en rekord i solsystemet, er omtrent 100 millioner km. På grunn av forskjellige forstyrrende faktorer er banenes radius, som er stabil i en skala på milliarder av år, mindre - omtrent halvparten eller til og med en tredjedel av Hill-radius.
Størrelsen på bane er også begrenset nedenfra: i en for nær bane blir satellitten revet fra hverandre av tyngdekraften til planeten og blir til en slags Saturn-ringer. Denne grensen kalles Roche-sonen, dens essens: tidevannskreftene overskrider satellittens selvtyngdekraft. Roche-grensen avhenger av stivheten til sistnevnte: hvis en satellitt kan deformeres som en væske, er Roche-grensen nesten dobbelt så stor. Alle satellitter i solsystemet er utenfor den "harde" Roche-grensen, men noen finnes heldigvis innenfor "væske" -grensen, for eksempel de fem nærmeste satellittene i Saturn.
For de hotteste jupiterne er radiusen til Hill-sfæren nær Roche-grensen - de kan absolutt ikke ha satellitter. Men det er andre mekanismer for ustabiliteten til satellittbaner som opererer i nærheten av stjernen, slik at sannsynligheten for at det eksisterer satellitter i planeter med en omløpstid på opptil 10-20 dager i milliarder av år, er ubetydelig. Det er synd, siden det er mange eksoplaneter med kort periode blant de oppdagede eksoplanettene, og de kommende årene vil de dominere blant nyankomne. Og viktigst av alt, satellittene til kortvarige planeter ville være lettest å oppdage om de var der.
Men vi er mest interessert i satellittene til planetene i den "beboelige sonen". Der kan banene deres være stabile i mange milliarder år - se på månen.
Salgsfremmende video:
Hvordan finne en exoplanet-satellitt
Hvor store kan planetarsatellitter være? Etter solsystemet er det typiske forholdet mellom den totale massen av satellitter og planetens masse 1/10000. Dette gjelder for Jupiter-systemet, Saturn (med et lite overskudd på grunn av Titan) og Uranus. Neptun og Mars har mindre "innfødte" satellitter (Triton er ikke innfødt, det er et fanget Kuiper-belteobjekt). Tilsynelatende er et slikt forhold naturlig når satellitter dannes fra en støvete disk rundt planeten. Månen er en egen samtale, dens masse er to størrelsesordener høyere enn den typiske massen av satellitter, den ble dannet som et resultat av en katastrofal kollisjon. Da har vi rett til å forvente at massen av superjupitersatellitter med 10 jupiteriske masser (og det er mange slike har blitt funnet) vil være av størrelsesorden Mars-massen. Et slikt legeme kan godt merkes under transitt av en planet - først blir stjernen formørket av satellitten, deretter planeten selv. Effekten fra satellitten vil være hundre ganger mindre, men med god transittstatistikk (planeten krysser stjernens disk mange ganger), kan den mer eller mindre påvises. Selvfølgelig kan en fanget planet også være en satellitt, i dette tilfellet kan den være betydelig større, men knapt noen er i stand til å si hva sannsynligheten for å finne et unormalt stort fanget objekt er.
Et annet alternativ er transittid. Hvis satellitten er foran planeten i sin bane rundt stjernen, skjer transitt av planeten litt senere, hvis den henger etter - litt tidligere. For eksempel, hvis alle satellittene til Jupiter er samlet i en og plassert på stedet for Ganymede, vil forskyvningen av Jupiter være pluss eller minus 100 km, noe som uttrykkes i en forsinkelse / forhåndsvisning av transitter med omtrent 7 s - 4 størrelsesordener mindre transittid. Dette er langt utenfor målenøyaktigheten. Satellitten må være unormalt stor. Generelt sett er denne metoden svakere enn den forrige.
I utgangspunktet kan satellitter av planeter ikke oppdages ved hjelp av den spektrometriske metoden fra en stjerners radiale hastighet - her er alle tenkelige effekter fra en satellitt ubetydelige.
Metoden for gravitasjonsmikrolensering forblir, men den er basert på sjelden flaks. Hvis bakgrunnsstjernen (ikke vertsstjernen, men den fjerne i bakgrunnen) passerer nøyaktig bak planeten med satellitten, vil en dobbel pigg vises i lyskurven til denne stjernen.
Tre overganger av planeten Kepler 1625b (det er bare tre i Kepler-databasen). Lyskurven til stjernen Kepler 1625 er vist. Den solide linjen er - passende modell med satellitt på størrelse med Neptune. Den statistiske betydningen av modellen - 4.1 σ. Hvis vi fjerner den tredje transporten, synker betydningen til en ubetydelig verdi.
Generelt er den mest lovende den første av de listede metodene - satellittovergang. Det krever et veldig stort utvalg av observasjoner. Et slikt utvalg eksisterer, det er Keplers arkivdata, som er i det offentlige. Kepler jobbet med hovedprogrammet i litt over fire år. Det er ikke nok til å påvise satellittoverganger pålitelig i "livssonen", men de beste dataene finnes ikke. For øyeblikket må det lete etter spor etter satellitter der, og det er ganske mulig at en satellitt allerede er funnet.
Jakten på eksoluns
Det første antydningen til satellitter ble funnet i nærheten av planeten med "telefonnummeret" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. Det er en gigantisk planet med en masse på 20 Jupiter - på grensen til en brun dverg1. Overganger viste at det har et enormt system av ringer, ringene har hull, og satellitter skal sitte i hullene - de spiser disse gapene. Det er alt. Det er ingen annen informasjon om disse satellittene.
En annen satellitt ble funnet ved å mikrolisere en foreldreløs planet som flyr fritt i verdensrommet. Det er vanskelig å si noe om massen på planeten og satellitten - det kan være en brun dverg med en "neptun" som kretser rundt den. Denne saken er ikke så interessant.
I 2012 kunngjorde astronomer ved Pulkovo-observatoriet mulig funn av en satellitt nær eksoplaneten WASP 12b. Det er en veldig varm Jupiter som går i bane rundt en stjerne i klassen i løpet av en dag. Under planetenes gjennomgang ble det observert bursts av lysstyrke, som ifølge observatørens forfattere kan tolkes som passasjen av planeten gjennom stjerneflekker eller som en satellitt av planeten, som periodisk smelter sammen med disken. Den andre tolkningen forårsaket en merkbar respons i russisk presse, men den er rett og slett ikke fysisk: Hill-sfæren for denne planeten faller praktisk talt sammen med Roche-sonen. Det kan ikke være noen satellitt der.
For å søke etter eksempler i Kepler-dataene ble HEK (Hunt for Exomoons with Kepler) -prosjektet organisert. Prosjektgruppen har ristet opp dataene og ser ut til å ha trukket litt nyttig informasjon derfra. Riktignok ikke veldig optimistisk. Resultatene nedenfor ble publisert i oktober 2017 i en artikkel2.
På den ene siden ble det funnet en indikasjon på satellitten til planeten Kepler 1625 b. Den statistiske betydningen er omtrent 4 σ, som er ganske liten, gitt det store antallet eksoplaneter som er studert. Verre er det i samme studie at en "antisatellitt" ble funnet i nærheten av en planet av en av stjernene, det vil si et signal med det motsatte tegnet med samme betydning som 4 σ. Det er tydelig at dette signalet er usant, siden det ikke er noen naturfenomener som etterligner "antisatellitten". Dessuten hadde planeten bare tre overganger, og bare en av dem er overbevisende nok. Hvis effekten bekreftes, vil det være en satellitt på størrelse med Neptune for en planet med en masse på minst 10 Jupiter-masser (massen er estimert fra bane til den påståtte satellitten), som tilsvarer den fangede planeten. Satellitten med planeten er i "livssonen": oppvarming er nøyaktig den samme som jorda. Banen til den antatte planeten er stabil - dypt inne i Hill-sfæren og langt utenfor Roche-grensen. Forfatterne insisterer ikke på funnet og beordret observasjon av Kepler 1625 av Hubble-teleskopet 28. til 29. oktober 2017 - tidspunktet for neste transitt. Det foregikk. Det er ingen publisert informasjon, bortsett fra et konferanse-sammendrag med et sammendrag "foreløpige resultater av observasjoner rapporteres". Dette betyr mest sannsynlig at observasjonen ikke ga et entydig resultat.at observasjonen ikke ga et entydig resultat.at observasjonen ikke ga et entydig resultat.
Et annet skuffende resultat kommer fra å legge opp transittene til mange planeter fra Kepler-databasen. Forfatterne har valgt mer enn tre hundre eksoplaneter, som fra deres synspunkt er de mest lovende for å søke etter satellitter. Kriterier inkluderer en bane mellom 1 og 0,1 AU og god datakvalitet. Som ønsket effekt ble mørkningen av stjernen fra analogen til de galileiske satellittene på planeten, dvs. analogene til de galileiske satellittene til Jupiter, skalert etter størrelsen på planeten, avslørt. I dette tilfellet ble summen av lyskurvene for alle transiter av alle planetene i prøven tatt.
Akk, det positive signalet overstiger ikke 2 σ, og resultatet setter en vitenskapelig signifikant øvre grense for mengden av store satellitter. Andelen planeter med en analog av de galileiske satellittene overstiger ikke 0,38 på 95% konfidensnivå.
Det ser ut til at mangelen på exoplanet-satellitter i forhold til satellittene til Jupiter er ganske reell. Den enkleste forklaringen: bestanden av store eksoplaneter innen 1 AU. Det vil si for stjerner i klassen for sola, dette er mest sannsynlige migranter fra fjernere strøk. Hva gjøres med planetarsatellitter under migrasjon? Det er mulig at de mister stabiliteten.
Endelig. Et team med seriøse forskere kjempet Keplers data for exoplanet-satellitter. Betyr dette at emnet er utmattet og at det ikke skinner for noen å finne noe nytt i disse dataene om eksoluns? Ingenting som dette! Først må alt arbeid gjentas for verifisering. Mine venner dobbeltsjekket dataene til WMAP-mikrobølgeteleskopet, som så ut til å være dobbeltsjekket til hullene, og fant åpenbare gjenstander, som deretter måtte korrigeres. For det andre er dette en enorm mengde arbeid som er utenfor kraften til ett team. Derfor vil jeg oppfordre frivillige: dataene er åpne, bare gråstoff kreves, som fremdeles er tilgjengelig i Russland.
Boris Stern
