Na vsakem javnem predavanju o eksoplanetih nekdo nujno postavi vprašanje o satelitih eksoplanetov. Vprašanje je tako zanimivo, da si zasluži ločen članek.
Trenutno se število najdenih eksoplanetov približuje šest tisoč (vključno s nepotrjenimi). Koliko velikih satelitov bi morali imeti ti planeti? Če pogledamo naš sončni sistem, lahko domnevamo, da je približno enako - imamo sedem satelitov, velikosti Lune in večjih za osem planetov (Luna, Io, Evropa, Ganymede, Callisto, Titan, Triton). Kaj pa sateliti eksoplanetov? Na žalost, skoraj nič. Kljub temu se začenjajo pojavljati prvi, še nejasni rezultati.
Sateliti planetov so zanimivi, ker je življenje na njih mogoče, tudi če je planet velikanski in sam po sebi nikakor ni prilagojen za življenje. V "bivalni coni" je bilo na primer kar nekaj velikanskih planetov (45 po podatkih iz leta 2014). Če imajo dovolj velike satelite, zakaj ne bi na njih živelo življenje? Moral bi biti čudovit razgled: velikanski planet, ki dominira na nebu, viden tako noč kot dan. Seveda taka slika navdihuje umetnike in do neke mere tudi raziskovalce, ki delajo s Keplerjevimi podatki. Očitno so ti podatki edini kraj, kjer je trenutno mogoče odkriti satelit eksoplaneta.
Za začetek nekaj koristnih konceptov.
Zemljin satelit se ne more vrteti okoli njega na nobeni razdalji. Velikost orbite je od zgoraj omejena s tako imenovano Hill Hill, zunaj katere satelit zapusti gravitacijsko polje planeta in postane neodvisen spremljevalec zvezde. Tu je polmer te krogle za najpreprostejši primer, ko je orbita satelita krožna: RH = a (m / 3M) 1/3, kjer je a pol-glavna os planetove orbite, m je masa planeta, M je masa zvezde. Za Zemljo je polmer Hill približno 1,5 milijona km. Nekoliko naprej sta Lagrangeovi točki L1 in L2, kamor se vzamejo vesoljski teleskopi. Hilin radius blizu Neptuna, ki je rekord v osončju, je približno 100 milijonov km. V resnici je zaradi različnih motečih dejavnikov polmer orbitov, ki so stabilni na lestvici več milijard let, manjši - približno polovica ali celo tretjina polmera Hilla.
Velikost orbite je omejena tudi od spodaj: na preblizu orbiti se satelit raztrga zaradi gravitacije planeta in se spremeni v neke vrste prstanov Saturna. Ta meja se imenuje območje Roche, njena bistva: sile plimovanja presegajo samo gravitacijo satelita. Meja Roche je odvisna od togosti slednjega: če se satelit lahko deformira kot tekočina, je Rochejeva meja skoraj dvakrat večja. Vsi sateliti sončnega sistema so zunaj "trde" Rochejeve meje, nekateri pa srečno obstajajo znotraj meje "tekočine", na primer pet najbližjih satelitov Saturna.
Za najbolj vroče Jupiterje je polmer krogle Hill blizu meje Roche - satelitov zagotovo ne morejo imeti. Vendar obstajajo tudi drugi mehanizmi za nestabilnost satelitskih orbitov, ki delujejo v bližini zvezde, tako da je verjetnost obstoja satelitov na planetih z orbitalno dobo do 10–20 dni za milijarde let zanemarljiva. Škoda, saj je med odkritimi eksoplaneti veliko kratkoročnih eksoplanetov in bodo v prihodnjih letih prevladovali med novimi prišleki. In kar je najpomembneje, satelite kratkoročnih planetov bi najlažje zaznali, če bi bili tam.
Nas pa najbolj zanimajo sateliti planetov v "bivalni coni". Tam so njihove orbite lahko stabilne več milijard let - poglejte na Luno.
Promocijski video:
Kako najti satelit eksoplaneta
Kako veliki so lahko planetarni sateliti? Sodeč po sončnem sistemu je tipično razmerje skupne mase satelitov in mase planeta 1/10000. To velja za sistem Jupiter, Saturn (z rahlim presežkom zaradi Titana) in Uran. Neptun in Mars imata manj »domačih« satelitov (Triton ni domač, je ujet objekt Kuiperjevega pasu). Očitno je takšno razmerje naravno, ko se iz zaprašenega diska okoli planeta oblikujejo sateliti. Luna je ločen pogovor, njena masa je za dva reda višja od značilne mase satelitov, nastala je kot posledica katastrofalnega trka. Potem imamo pravico pričakovati, da bo masa superjupiterskih satelitov z 10 Jupiterjevo maso (in takšnih je bilo veliko takšnih) enaka Marsovi masi. Takšno telo je morda dobro opazno med tranzitom planeta - najprej zvezdo zatemni satelit, nato sam planet. Učinek iz satelita bo stokrat manjši, toda z dobro tranzitno statistiko (planet večkrat prečka zvezdinov disk) ga je mogoče bolj ali manj zanesljivo zaznati. Seveda je lahko ujeti planet tudi satelit, v tem primeru je lahko bistveno večji, vendar komaj kdo zna povedati, kakšna je verjetnost, da bi našli nenormalno velik ujet objekt.
Druga možnost je tranzitni čas. Če je satelit pred planetom v svoji orbiti okoli zvezde, se tranzit planeta zgodi nekoliko kasneje, če zaostaja - malo prej. Na primer, če so vsi sateliti Jupitra sestavljeni v enega in nameščeni na mesto Ganymedeja, bo premik Jupitra plus ali minus 100 km, kar se izrazi v zamiku / napredovanju tranzitov za približno 7 s - 4 zaporedja velikosti manj tranzitnega časa. To je daleč preko natančnosti merjenja. Satelit mora biti nenormalno velik. Na splošno je ta metoda šibkejša od prejšnje.
Satelitov planetov načeloma ni mogoče zaznati s spektrometrično metodo zaradi radialne hitrosti zvezde - tukaj so vsi možni učinki satelita zanemarljivi.
Metoda gravitacijskega mikrolesenja ostaja, vendar temelji na redki sreči. Če zvezda v ozadju (ne gostiteljska zvezda, ampak oddaljena v ozadju) prehaja točno za planetom s satelitom, se bo v svetlobni krivulji te zvezde pojavil dvojni spak.
Trije prehodi planeta Kepler 1625b (v bazi Kepler so le trije). Prikazana je svetlobna krivulja zvezde Kepler 1625. Trdna črta je - vgradni model s satelitom velikosti Neptuna. Statistični pomen modela - 4.1 σ. Če odstranimo tretji tranzit, pomen pade na zanemarljivo vrednost.
Na splošno je najbolj obetavna prva od naštetih metod - satelitski tranzit. Zahteva zelo velik niz opazovanj. Takšen niz obstaja, to so arhivi Keplerja, ki so v javni domeni. Kepler je pri glavnem programu delal nekaj več kot štiri leta. Za zanesljivo odkrivanje satelitskih tranzitov v "coni življenja" ni dovolj, najboljši podatki pa ne obstajajo. Trenutno je treba iskati sledove satelitov in povsem mogoče je, da so že našli enega satelita.
Iskanje izpustov
Prvo namig o satelitih so našli blizu planeta s "telefonsko številko" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. Gre za orjaški planet z maso 20 Jupiterjev - na robu rjavega pritlikavca1. Tranziti so pokazali, da ima ogromen sistem obročev, obroči imajo vrzeli, v vrzeli pa naj bi sedeli sateliti - te vrzeli pojedo. Vse je. Drugih podatkov o teh satelitih ni.
Drug satelit so našli z mikroleniranjem siročega planeta, ki prosto leti v vesolju. O masi planeta in satelita je težko reči nekaj - morda je rjavi pritlikavec, ki okoli njega kroži »neptun«. Ta primer ni tako zanimiv.
Leta 2012 so astronomi na opazovalnici Pulkovo napovedali možno odkritje satelita v bližini eksoplaneta WASP 12b. Zelo vroč Jupiter kroži okoli zvezde sončnega razreda na dan. Med tranzitom planeta so opazili sunke svetlosti, ki jih po mnenju avtorjev opazovanj lahko razlagamo kot prehod planeta skozi zvezdne lise ali kot satelit planeta, ki se občasno združi z njegovim diskom. Druga razlaga je v ruskem tisku povzročila opazen odziv, vendar preprosto ni fizična: sfera Hill za ta planet praktično sovpada z območjem Roche. Tam ne more biti satelita.
Za iskanje eksonov v Keplerjevih podatkih je bil organiziran projekt HEK (Lov na eksomone s Keplerjem). Projektna skupina je podatke dobro pretresla in zdi se, da so od tam potegnili nekaj koristnih informacij. Res, ne ravno optimistično. Spodnji rezultati so bili objavljeni oktobra 2017 v enem članku2.
Na eni strani so našli navedbo satelita planeta Kepler 1625 b. Statistična pomembnost je približno 4 σ, kar je glede na veliko število preučenih eksoplanetov precej majhno. Še huje je, da so v isti raziskavi našli "antisatelit" blizu planeta ene od zvezd, torej signal nasprotnega znaka z enakim pomenom 4 σ. Jasno je, da je ta signal napačen, saj ni naravnih pojavov, ki bi posnemali "protisatelit". Še več, planet je imel le tri tranzite in le eden od njih je dovolj prepričljiv. Če se učinek potrdi, bo to satelit velikosti Neptuna za planet z maso najmanj 10 mas Jupitra (masa je ocenjena iz orbite domnevnega satelita), kar ustreza ujetemu planetu. Satelit s planetom je v "življenjskem pasu": ogrevanje je popolnoma enako kot Zemlje. Orbita domnevnega planeta je stabilna - globoko v hribu Hill in daleč preko meje Roche. Avtorji ne vztrajajo pri odkritju in so odredili opazovanje Keplerja 1625 s teleskopom Hubble za 28. in 29. oktober 2017 - čas naslednjega tranzita. Zgodilo se je. Ni objavljenih informacij, razen povzetka konference s povzetkom "poročajo se o predhodnih rezultatih opazovanj". To najverjetneje pomeni, da opazovanje ni dalo nedvoumnega rezultata.da opazovanje ni dalo nedvoumnega rezultata.da opazovanje ni dalo nedvoumnega rezultata.
Drugi razočaralni rezultat je seštevanje tranzitov številnih planetov iz baze Kepler. Avtorji so izbrali več kot tristo eksoplanetov, ki so s njihovega stališča najbolj obetavni za iskanje satelitov. Kriteriji vključujejo orbito med 1 in 0,1 AU in dobro kakovost podatkov. Kot želeni učinek so razkrili zatemnitev zvezde z analognega galilejskega satelita planeta, to je analogov galilejskih satelitov Jupiter, pomanjšanih z velikostjo planeta. V tem primeru smo vzeli vsoto svetlobnih krivulj za vse tranzite vseh planetov v vzorcu.
Žal, pozitivni signal ne presega 2 σ, rezultat pa postavi znanstveno pomembno zgornjo mejo številčnosti velikih satelitov. Delež planetov z analognim galilejskim satelitom pri 95-odstotni stopnji zaupanja ne presega 0,38.
Zdi se, da je pomanjkanje eksoplanetnih satelitov v primerjavi s sateliti Jupiter povsem resnično. Najpreprostejša razlaga: populacija velikih eksoplanetov znotraj 1 AU. Se pravi, za zvezde razreda Sonca gre najverjetneje za migrante iz bolj oddaljenih regij. Kaj se naredi s planetarnimi sateliti med migracijo? Možno je, da izgubijo stabilnost.
Končno. Skupina resnih znanstvenikov je zbrala podatke Keplerja za satelite eksoplaneta. Ali to pomeni, da je bila tema izčrpana in nikomur ne sveti, da bi v teh podatkih našli kaj novega glede eksolonov? Nič takega! Najprej je treba vsako delo ponoviti za preverjanje. Moji prijatelji so dvakrat preverili podatke mikrovalovnega teleskopa WMAP, za katerega se je zdelo, da je bil dvojno preverjen do lukenj, in našli očitne artefakte, ki so jih nato morali popraviti. Drugič, to je ogromno dela, ki je zunaj moči ene ekipe. Zato bi rad spodbudil prostovoljce: podatki so odprti, potrebna je le siva snov, ki je še vedno na voljo v Rusiji.
Boris Štern