На всяка публична лекция за екзопланети някой задължително задава въпрос за сателитите на екзопланетите. Въпросът е толкова интересен, че заслужава отделна статия.
В момента броят на откритите екзопланети се приближава до шест хиляди (включително непотвърдени). Колко големи сателита трябва да имат тези планети? Разглеждайки нашата Слънчева система, можем да предположим, че едни и същи - имаме седем спътника с размерите на Луната и по-големи за осем планети (Луна, Йо, Европа, Ганимед, Калисто, Титан, Тритон). Ами сателитите на екзопланетите? Уви, засега почти нищо. И все пак първите, все още неясни резултати, започват да се появяват.
Сателитите на планетите са интересни с това, че животът е възможен, дори ако планетата е гигантска и сама по себе си не е пригодена за живот. Например, в „обитаемата зона“са открити доста планети-гиганти (45 по данни от 2014 г.). Ако имат достатъчно големи спътници, защо животът не трябва да възниква върху тях? Трябва да има прекрасна гледка: гигантска планета, доминираща небето, видима както през нощта, така и през деня. Разбира се, подобна картина вдъхновява художници и до известна степен изследователи, работещи с данните на Кеплер. Очевидно тези данни са единственото място, където в момента може да бъде открит сателит на екзопланета.
Като за начало, някои полезни понятия.
Сателитът на планетата не може да се върти около нея на всяко разстояние. Размерът на орбитата е ограничен отгоре от така наречената сфера на Хил, извън която сателитът напуска гравитационното поле на планетата и се превръща в независим спътник на звездата. Ето радиуса на тази сфера за най-простия случай, когато орбитата на спътника е кръгова: RH = a (m / 3M) 1/3, където a е полу-голямата ос на орбитата на планетата, m е масата на планетата, M е масата на звездата. За Земята радиусът на хълма е около 1,5 милиона км. Малко по-далеч са точките Lagrange L1 и L2, откъдето са извадени космически телескопи. Радиусът на Хил близо до Нептун, рекорд в Слънчевата система, е около 100 милиона км. В действителност поради различни смущаващи фактори радиусът на орбитите, които са стабилни в мащаб на милиарди години, е по-малък - около половината или дори една трета от радиуса на Хил.
Размерът на орбитата също е ограничен отдолу: в твърде близка орбита спътникът се разкъсва от гравитацията на планетата и се превръща в един вид пръстени на Сатурн. Тази граница се нарича зона Roche, нейната същност: силите на приливите и отливите надвишават самогравитацията на спътника. Ограничението на Roche зависи от твърдостта на последния: ако един спътник може да се деформира като течност, тогава границата на Roche е почти два пъти по-голяма. Всички спътници на Слънчевата система са извън „твърдата“граница на Рош, но някои щастливо съществуват в границите на „течността“, например, петте най-близки спътника на Сатурн.
За най-горещите юпитери радиусът на сферата на Хил е близо до границата на Рош - те със сигурност не могат да имат спътници. Но има и други механизми на нестабилност на сателитната орбита, действащи в близост до звездата, така че вероятността за съществуване на спътници в планети с орбитален период до 10-20 дни за милиарди години е незначителна. Жалко е, тъй като сред откритите екзопланети има много краткосрочни екзопланети и в следващите години те ще доминират сред новопристигналите. И най-важното - спътниците на кратковременните планети биха били най-лесни за откриване, ако са там.
Но най-много ни интересуват спътниците на планетите в „обитаемата зона“. Там орбитите им могат да бъдат стабилни в продължение на много милиарди години - погледнете Луната.
Промоционално видео:
Как да намерите сателит на екзопланета
Колко големи могат да бъдат планетарните спътници? Съдейки по Слънчевата система, типичното съотношение на общата маса на спътниците и масата на планетата е 1/10000. Това важи за системата на Юпитер, Сатурн (с лек излишък поради Титан) и Уран. Нептун и Марс имат по-малко "местни" спътници (Тритон не е местен, той е заловен обект на Койпер). Очевидно такова съотношение е естествено, когато сателитите се формират от прашен диск около планетата. Луната е отделен разговор, масата й е с два порядъка по-висока от типичната маса на спътниците, тя се е образувала в резултат на катастрофален сблъсък. Тогава имаме право да очакваме, че масата на сателитите на суперюпитер с 10 юпитерийски маси (а има много такива са открити) ще бъде от порядъка на масата на Марс. Такова тяло може да се забележи по време на транзит на планета - първо звездата се затъмнява от спътника, след това от самата планета. Ефектът от спътника ще бъде сто пъти по-малък, но с добра транзитна статистика (планетата пресича диска на звездата много пъти), той може да бъде повече или по-малко надеждно открит. Разбира се, заснетата планета може да бъде и спътник, в този случай тя може да бъде значително по-голяма, но едва ли някой е в състояние да каже каква е вероятността да открие необичайно голям заловен обект.
Друг вариант е транзитното време. Ако спътникът е пред планетата по своята орбита около звездата, транзитът на планетата се случва малко по-късно, ако изостава - малко по-рано. Например, ако всички спътници на Юпитер са сглобени в един и поставени на мястото на Ганимед, то изместването на Юпитер ще бъде плюс или минус 100 км, което се изразява в закъснение / напредване на транзитите с около 7 s - 4 порядъка по-малко транзитно време. Това е далеч над точността на измерване. Сателитът трябва да е необичайно голям. По принцип този метод е по-слаб от предишния.
Сателитите на планетите по принцип не могат да бъдат открити чрез спектрометричния метод въз основа на радиалната скорост на звезда - тук всички възможни въздействия от спътник са незначителни.
Методът на гравитационното микросенсиране остава, но се основава на рядък късмет. Ако фоновата звезда (не приемащата звезда, а отдалечената на заден план) преминава точно зад планетата със спътника, в светлинната крива на тази звезда ще се появи двоен шип.
Три транзита на планетата Kepler 1625b (има само три в базата данни на Kepler). Показана е светлинната крива на звездата Kepler 1625. Твърдата линия е - подходящ модел със сателит с размерите на Нептун. Статистическата значимост на модела - 4.1 σ. Ако премахнем третия транзит, значимостта пада до нищожна стойност.
Като цяло най-обещаващият е първият от изброените методи - сателитен транзит. Това изисква много голям набор от наблюдения. Такъв масив съществува, това са архивните данни на Kepler, които са в публичното пространство. Кеплер работи по основната програма малко повече от четири години. Не е достатъчно надеждно да се открият сателитни транзити в „зоната на живота“, но най-добрите данни не съществуват. В момента там трябва да се търсят следи от спътници и е напълно възможно един сателит вече да е намерен.
Търсенето на разтворители
Първият намек за спътници беше открит близо до планетата с „телефонен номер“1SWASP J140747.93-394542.6 б. Това е гигантска планета с маса 20 Юпитер - на прага на кафяво джудже1. Транзитите показаха, че тя има огромна система от пръстени, пръстените имат пропуски, а сателитите трябва да седят в пролуките - те изяждат тези пропуски. Това е всичко. Няма друга информация за тези спътници.
Друг спътник беше открит чрез микросенсиране на планета-сирак, летяща свободно в космоса. Трудно е да се каже нещо за масата на планетата и спътника - може да е кафяво джудже с орбита около него „нептун“. Този случай не е толкова интересен.
През 2012 г. астрономите в обсерваторията в Пулково обявиха възможното откриване на сателит в близост до екзопланетата WASP 12b. Това е много горещ Юпитер, който обикаля около ден на звезда от слънчева класа. По време на транзита на планетата се наблюдават изблици на яркост, които според авторите на наблюденията могат да се тълкуват като преминаване на планетата през звездни петна или като спътник на планетата, периодично сливащи се с нейния диск. Втората интерпретация предизвика забележим отговор в руската преса, но тя просто не е физическа: сферата на Хил за тази планета практически съвпада със зоната Рош. Там не може да има сателит.
За търсене на екзони в данните на Kepler беше организиран проектът HEK (лов на екзомони с Kepler). Екипът на проекта е разклатил добре данните и изглежда е извадил полезна информация оттам. Вярно, не много оптимистично. Резултатите по-долу бяха публикувани през октомври 2017 г. в една статия2.
От една страна беше намерено указание за спътника на планетата Kepler 1625 b. Статистическата значимост е около 4 σ, което е доста малко, предвид големия брой проучени екзопланети. По-лошото е, че в същото проучване е открит „антисателит“в близост до планета на една от звездите, тоест сигнал на противоположния знак със същото значение 4 σ. Ясно е, че този сигнал е фалшив, тъй като няма природни явления, имитиращи „антисателита“. Освен това планетата имаше само три транзита и само един от тях е достатъчно убедителен. Ако ефектът бъде потвърден, това ще бъде спътник с размерите на Нептун за планета с маса най-малко 10 маси Юпитер (масата се изчислява от орбитата на предполагаемия спътник), което съответства на превзетата планета. Сателитът с планетата е в "жизнената зона": отоплението е точно същото като това на Земята. Орбитата на предполагаемата планета е стабилна - дълбоко в сферата на Хил и далеч над границата на Рош. Авторите не настояват за откриването и разпореждат наблюдението на Kepler 1625 от телескопа Хъбъл за 28-29 октомври 2017 г. - времето на следващия транзит. То се проведе. Няма публикувана информация, с изключение на резюме на конференцията с резюме „докладват се предварителни резултати от наблюдения“. Това най-вероятно означава, че наблюдението не даде еднозначен резултат.че наблюдението не даде еднозначен резултат.че наблюдението не даде еднозначен резултат.
Друг разочароващ резултат идва от сумирането на транзитите на много планети от базата данни на Kepler. Авторите са подбрали повече от триста екзопланети, които от тяхна гледна точка са най-обещаващи за търсене на спътници. Критериите включват орбита между 1 и 0,1 AU и добро качество на данните. Като желания ефект бяха разкрити потъмняването на звездата от аналога на Галилевите спътници на планетата, т.е. аналозите на галилеевите спътници на Юпитер, мащабирани според размера на планетата. В този случай беше взета сумата от светлинните криви за всички транзити на всички планети в пробата.
Уви, положителният сигнал не надвишава 2 σ, а резултатът поставя научно значима горна граница на изобилието от големи спътници. Делът на планетите с аналог на спътниците на Галилей не надвишава 0,38 при 95% ниво на доверие.
Изглежда, че недостигът на сателити на екзопланети във връзка със сателитите на Юпитер е съвсем реален. Най-простото обяснение: популацията на големи екзопланети в рамките на 1 AU. Тоест, за звездите от класа на Слънцето това са най-вероятно мигранти от по-далечни региони. Какво се прави с планетарните спътници по време на миграция? Възможно е те да загубят стабилност.
Най-накрая. Екип сериозни учени срещнаха данните на Кеплер за сателити на екзопланети. Означава ли това, че темата е изчерпана и не свети никой да намери нещо ново в тези данни относно екзолун? Нищо подобно! Първо, всяка работа трябва да се повтори за проверка. Приятелите ми провериха два пъти данните на микровълновия телескоп WMAP, който изглеждаше двойно проверен до дупките, и откриха очевидни артефакти, които след това трябваше да бъдат коригирани. Второ, това е огромен обем работа, който е извън силата на един екип. Ето защо бих искал да насърча доброволците: данните са отворени, изисква се само сиво вещество, което все още е на разположение в Русия.
Борис Щерн