Na každé veřejné přednášce o exoplanetách se někdo nutně ptá na exoplanetové satelity. Otázka je tak zajímavá, že si zaslouží samostatný článek.
V současné době se počet nalezených exoplanet blíží šesti tisícům (včetně těch nepotvrzených). Kolik velkých satelitů by tyto planety měly? Když se podíváme na naši sluneční soustavu, můžeme předpokládat, že to samé - máme osm satelitů o velikosti Měsíce a větších (Měsíc, Io, Evropa, Ganymede, Callisto, Titan, Triton) na osm planet. A co satelity exoplanet? Bohužel, zatím téměř nic. Přesto se začínají objevovat první, dosud nejasné výsledky.
Satelity planet jsou zajímavé, protože život na nich je možný, i když je planeta obrovská a sama o sobě není nijak upravena pro život. Například v „obyvatelné zóně“bylo nalezeno několik obřích planet (45 podle údajů za rok 2014). Pokud mají dostatečně velké satelity, proč by na nich neměl vzniknout život? Měl by být nádherný výhled: obrovská planeta dominující obloze, viditelná jak ve dne, tak ve dne. Takový obrázek samozřejmě inspiruje umělce a do jisté míry i výzkumníky, kteří pracují s Keplerovými daty. Tato data jsou zjevně jediným místem, kde lze v současnosti objevit exoplanetový satelit.
Pro začátek některé užitečné koncepty.
Satelit planety se kolem něj nemůže točit v žádné vzdálenosti. Velikost orbity je shora omezena tzv. Kopcovou koulí, z níž satelit opouští gravitační pole planety a stává se nezávislým společníkem hvězdy. Zde je poloměr této koule pro nejjednodušší případ, kdy je oběžná dráha satelitu kruhová: RH = a (m / 3M) 1/3, kde a je polořadovka hlavní osy oběžné dráhy planety, m je hmota planety, M je hmota hvězdy. Pro Zemi je poloměr kopce asi 1,5 milionu km. Trochu dále jsou Lagrangeovy body L1 a L2, kde jsou odstraněny kosmické dalekohledy. Poloměr kopce u Neptunu, rekord ve sluneční soustavě, je asi 100 milionů km. Ve skutečnosti je kvůli různým rušivým faktorům poloměr oběžných drah, které jsou stabilní v měřítku miliard let, menší - asi polovina nebo dokonce třetina poloměru kopce.
Velikost orbity je také zdola omezena: na příliš blízké oběžné dráze je satelit roztržen gravitací planety a mění se v jakýsi druh Saturnových prstenů. Tento limit se nazývá Roche zóna, jeho podstata: přílivové síly přesahují vlastní gravitaci satelitu. Rocheho limit závisí na tuhosti posledně uvedeného: pokud se satelit může deformovat jako kapalina, pak je Rocheho limit téměř dvakrát větší. Všechny satelity sluneční soustavy jsou mimo „tvrdý“Roche limit, ale některé jsou šťastně uvnitř „kapalného“limitu, například pět nejbližších satelitů Saturn.
Pro nejžhavější Jupitery je poloměr sféry kopce blízký hranici Roche - určitě nemohou mít satelity. Existují však i jiné mechanismy nestability satelitních drah, které fungují v blízkosti hvězdy, takže pravděpodobnost existence satelitů na planetách s orbitální periodou až 10–20 dní po miliardy let je zanedbatelná. Je to škoda, protože mezi objevenými exoplanety je spousta krátkodobých exoplanet a v nadcházejících letech budou dominovat mezi novými příjezdy. A co je nejdůležitější, satelity krátkodobých planet by bylo nejjednodušší zjistit, jestli tam byly.
Nejvíce nás však zajímají satelity planet v „obyvatelné zóně“. Jejich oběžné dráhy mohou být stabilní mnoho miliard let - podívejte se na Měsíc.
Propagační video:
Jak najít exoplanetový satelit
Jak velké mohou být planetární satelity? Soudě podle sluneční soustavy je typický poměr celkové hmotnosti satelitů a hmotnosti planety 1/10000. To platí pro systém Jupiter, Saturn (s mírným přebytkem kvůli Titanu) a Uran. Neptun a Mars mají méně „nativních“satelitů (Triton není nativní, je to zachycený objekt Kuiperova pásu). Zdá se, že takový poměr je přirozený, když jsou satelity tvořeny z prašného disku kolem planety. Měsíc je samostatná konverzace, jeho hmotnost je o dva řády vyšší než typická hmotnost satelitů, byla vytvořena v důsledku katastrofické srážky. Potom máme právo očekávat, že hmotnost superjupiterových satelitů s 10 jupiteriánskými hmotami (a jich bylo nalezeno mnoho) bude v řádu hmotností Marsu. Takové tělo může být zřetelně viditelné během přepravy planety - nejprve je hvězda zatměna satelitem, pak planeta sama. Efekt ze satelitu bude stokrát menší, ale s dobrou statistikou přenosu (planeta mnohokrát prochází hvězdným diskem), může být více či méně spolehlivě detekován. Zachycená planeta může být samozřejmě také satelit, v tomto případě to může být výrazně větší, ale sotva kdokoli dokáže říct, jaká je pravděpodobnost nalezení abnormálně velkého zachyceného objektu.
Další možností je časování tranzitu. Pokud je satelit na své oběžné dráze kolem hvězdy před planetou, tranzit planety nastane o něco později, pokud zaostává - o něco dříve. Například, pokud jsou všechny satelity Jupiteru spojeny do jednoho a umístěny na místo Ganymede, pak bude posunutí Jupiteru plus nebo mínus 100 km, což je vyjádřeno jako zpoždění / záloha tranzitů o přibližně 7 s - 4 řády o kratší dobu průjezdu. To je daleko za přesností měření. Satelit musí být neobvykle velký. Obecně je tato metoda slabší než ta předchozí.
Satelity planet v zásadě nemohou být detekovány spektrometrickou metodou z radiální rychlosti hvězdy - zde jsou všechny myslitelné efekty ze satelitu zanedbatelné.
Metoda gravitačního microlensingu zůstává, ale je založena na vzácném štěstí. Pokud hvězda pozadí (nikoli hostitelská hvězda, ale vzdálená hvězda v pozadí) prochází se svou družicí přesně za planetou, objeví se ve světelné křivce této hvězdy dvojitý hrot.
Tři tranzity planety Kepler 1625b (v databázi Kepler jsou pouze tři). Je zobrazena světelná křivka hvězdy Kepler 1625. Plná čára je - montáž modelu se satelitem velikosti Neptun. Statistická významnost modelu - 4,1 σ. Pokud odstraníme třetí tranzit, význam klesne na zanedbatelnou hodnotu.
Obecně je nejslibnější první z uvedených metod - satelitní tranzit. Vyžaduje to velmi velké množství pozorování. Takové pole existuje, jsou to archivní data Keplera, která jsou ve veřejné doméně. Kepler pracoval na hlavním programu něco přes čtyři roky. Nestačí spolehlivě detekovat satelitní přenosy v „zóně života“, ale nejlepší data neexistují. V tuto chvíli je třeba hledat stopy satelitů a je možné, že jeden satelit již byl nalezen.
Hledání exolunů
První náznak satelitů byl nalezen v blízkosti planety s „telefonním číslem“1SWASP J140747.93-394542.6 b. Je to obrovská planeta s hmotností 20 Jupiterů - na pokraji hnědého trpaslíka1. Transity ukázaly, že má obrovský systém prstenů, prsteny mají mezery a satelity by měly sedět v mezerách - tyto mezery jedí. Je to všechno. O těchto satelitech neexistují žádné další informace.
Další satelit byl nalezen mikrolenzací sirotčí planety volně létající ve vesmíru. Těžko říci něco o hmotnosti planety a satelitu - může to být hnědý trpaslík s kolem něj obíhající „Neptun“. Tento případ není tak zajímavý.
V roce 2012 astronomové na Pulkovo observatoři oznámili možný objev satelitu poblíž exoplanety WASP 12b. Je to velmi horký Jupiter obíhající kolem hvězdy třídy Sun za den. Během průchodu planety byly pozorovány výbuchy jasu, které podle autorů pozorování lze interpretovat jako průchod planety hvězdnými skvrnami nebo jako satelit planety, který se periodicky spojuje s diskem. Druhá interpretace způsobila v ruském tisku znatelnou reakci, ale není to prostě fyzické: koule Hill pro tuto planetu se prakticky shoduje s oblastí Roche. Nemůže tam být žádný satelit.
Pro vyhledávání exoonů v Keplerových datech byl uspořádán projekt HEK (Hunt for Exomoons with Kepler). Projektový tým data dobře otřásl a zdá se, že odtud vytáhl nějaké užitečné informace. Pravda, ne příliš optimistický. Níže uvedené výsledky byly zveřejněny v říjnu 2017 v jednom článku2.
Na jedné straně byla nalezena indikace satelitu planety Kepler 1625 b. Statistická významnost je asi 4 σ, což je vzhledem k velkému počtu studovaných exoplanet poměrně malé. Horší bylo, že ve stejné studii byl nalezen „antisatelit“poblíž planety jedné z hvězd, tj. Signálu opačného znaménka se stejným významem 4 σ. Je zřejmé, že tento signál je nepravdivý, protože neexistují žádné přírodní jevy napodobující „anti-satelit“. Navíc planeta měla pouze tři transity a pouze jeden z nich je dostatečně přesvědčivý. Pokud je účinek potvrzen, bude to satelit o velikosti Neptunu pro planetu s hmotností nejméně 10 Jupiterů (hmotnost se odhaduje z oběžné dráhy údajného satelitu), což odpovídá zachycené planetě. Satelit s planetou je v „životní zóně“: vytápění je úplně stejné jako u Země. Oběžná dráha domnělé planety je stabilní - hluboko v kopcovité sféře a daleko za Rocheovým limitem. Autoři netrvají na objevu a nařídili pozorování Kepler 1625 Hubbleovým dalekohledem na 28. - 29. října 2017 - čas příštího tranzitu. Stalo se to. Nejsou publikovány žádné informace, s výjimkou abstraktů konference se shrnutím „jsou hlášeny předběžné výsledky pozorování“. To s největší pravděpodobností znamená, že pozorování nepřineslo jednoznačný výsledek.že pozorování nepřineslo jednoznačný výsledek.že pozorování nepřineslo jednoznačný výsledek.
Další neuspokojivý výsledek spočívá v sčítání tranzitů mnoha planet z databáze Kepler. Autoři vybrali více než tři sta exoplanet, které jsou z jejich pohledu nejslibnější pro vyhledávání satelitů. Mezi kritéria patří orbita mezi 1 a 0,1 AU a dobrá kvalita dat. Jako požadovaný účinek bylo odhaleno ztmavnutí hvězdy z analogu galilejských satelitů planety, tj. Analogů galilejských satelitů Jupitera, měřítka velikosti planety. V tomto případě byl odebrán součet světelných křivek pro všechny průchody všech planet ve vzorku.
Bohužel, pozitivní signál nepřesahuje 2 σ, a výsledek stanoví vědecky významnou horní hranici pro množství velkých satelitů. Podíl planet s analogem galilských satelitů nepřesahuje 0,38 na 95% úrovni spolehlivosti.
Zdá se, že nedostatek exoplanetových satelitů ve vztahu k satelitům Jupiteru je docela reálný. Nejjednodušší vysvětlení: populace velkých exoplanet v rámci 1 AU. To znamená, že u hvězd třídy Slunce jsou to pravděpodobně migranti ze vzdálenějších oblastí. Co se děje s planetárními satelity během migrace? Je možné, že ztrácí stabilitu.
Konečně. Tým seriózních vědců kombinoval Keplerova data pro satelity exoplanet. Znamená to, že téma bylo vyčerpáno a nikomu nesvítí, když v těchto datech najde něco nového ohledně exolunů? Nic takového! Nejprve musí být práce opakována pro ověření. Moji přátelé dvakrát zkontrolovali data mikrovlnného dalekohledu WMAP, který se zdál být dvakrát zkontrolován na díry, a zjistili zřejmé artefakty, které pak musely být opraveny. Za druhé, je to obrovské množství práce, které je nad rámec moci jednoho týmu. Chtěl bych proto dobrovolníky povzbudit: údaje jsou otevřené, je vyžadována pouze šedá hmota, která je v Rusku stále k dispozici.
Boris Stern