Bij elke openbare lezing over exoplaneten stelt iemand noodzakelijkerwijs een vraag over exoplanetsatellieten. De vraag is zo interessant dat hij een apart artikel verdient.
Momenteel nadert het aantal gevonden exoplaneten de zesduizend (inclusief onbevestigde). Hoeveel grote satellieten moeten deze planeten hebben? Als we naar ons zonnestelsel kijken, kunnen we aannemen dat ongeveer hetzelfde - we hebben zeven satellieten ter grootte van de maan en groter (maan, Io, Europa, Ganymede, Callisto, Titan, Triton) per acht planeten. Hoe zit het met de satellieten van exoplaneten? Helaas, tot nu toe bijna niets. Toch beginnen de eerste, vooralsnog vage resultaten zichtbaar te worden.
De satellieten van de planeten zijn interessant omdat er leven op mogelijk is, ook al is de planeet gigantisch en op zichzelf op geen enkele manier aangepast voor leven. Er werden bijvoorbeeld nogal wat reuzenplaneten gevonden in de "bewoonbare zone" (45 volgens gegevens van 2014). Als ze satellieten hebben die groot genoeg zijn, waarom zou er dan geen leven op ontstaan? Er zou een prachtig uitzicht moeten zijn: een gigantische planeet die de lucht domineert, zowel dag als nacht zichtbaar. Natuurlijk inspireert zo'n foto kunstenaars, en tot op zekere hoogte onderzoekers, die met de gegevens van Kepler werken. Blijkbaar zijn deze gegevens de enige plek waar momenteel een exoplaneetsatelliet kan worden ontdekt.
Om te beginnen enkele handige concepten.
De satelliet van een planeet kan er op geen enkele afstand omheen draaien. De grootte van de baan wordt van bovenaf begrensd door de zogenaamde Hill-bol, waarbuiten de satelliet het zwaartekrachtveld van de planeet verlaat en een onafhankelijke metgezel van de ster wordt. Hier is de straal van deze bol voor het eenvoudigste geval, wanneer de baan van de satelliet cirkelvormig is: RH = a (m / 3M) 1/3, waarbij a de halve hoofdas van de baan van de planeet is, m de massa van de planeet is, M de massa van de ster. Voor de aarde is de Hill-straal ongeveer 1,5 miljoen km. Iets verder weg zijn de Lagrange-punten L1 en L2, waar ruimtetelescopen worden uitgehaald. Hill's straal bij Neptunus, een record in het zonnestelsel, is ongeveer 100 miljoen km. In werkelijkheid is, als gevolg van verschillende storende factoren, de straal van de banen, die stabiel zijn op een schaal van miljarden jaren, minder - ongeveer de helft of zelfs een derde van de Hill-straal.
De grootte van de baan is ook van onderaf beperkt: in een te korte baan wordt de satelliet door de zwaartekracht van de planeet uit elkaar gescheurd en verandert in een soort ringen van Saturnus. Deze limiet wordt de Roche-zone genoemd, de essentie ervan: de getijdekrachten overtreffen de zelfzwaartekracht van de satelliet. De Roche-limiet hangt af van de stijfheid van de laatste: als een satelliet kan vervormen als een vloeistof, is de Roche-limiet bijna twee keer zo groot. Alle satellieten van het zonnestelsel vallen buiten de "harde" Roche-limiet, maar sommige bevinden zich gelukkig binnen de "vloeibare" limiet, bijvoorbeeld de vijf dichtstbijzijnde satellieten van Saturnus.
Voor de heetste Jupiters ligt de straal van de Hill-bol dicht bij de Roche-limiet - ze kunnen zeker geen satellieten hebben. Maar er zijn andere mechanismen van instabiliteit van de satellietbaan die in de buurt van de ster werken, zodat de kans op het bestaan van satellieten op planeten met een omlooptijd van 10-20 dagen gedurende miljarden jaren verwaarloosbaar is. Het is jammer, want er zijn veel exoplaneten met een korte periode onder de ontdekte exoplaneten, en de komende jaren zullen ze domineren onder nieuwkomers. En, het allerbelangrijkste: de satellieten van planeten met een korte periode zouden het gemakkelijkst te detecteren zijn als ze daar waren.
Maar we zijn het meest geïnteresseerd in de satellieten van de planeten in de "bewoonbare zone". Daar kunnen hun banen miljarden jaren stabiel zijn - kijk naar de maan.
Promotie video:
Hoe een exoplaneetsatelliet te vinden
Hoe groot kunnen planetaire satellieten zijn? Te oordelen naar het zonnestelsel is de typische verhouding tussen de totale massa van satellieten en de massa van de planeet 1/10000. Dit geldt voor het Jupiter-systeem, Saturnus (met een lichte overmaat vanwege Titan) en Uranus. Neptunus en Mars hebben minder "inheemse" satellieten (Triton is niet inheems, het is een gevangen Kuipergordelobject). Blijkbaar is een dergelijke verhouding natuurlijk wanneer satellieten worden gevormd uit een stoffige schijf rond de planeet. De maan is een apart gesprek, zijn massa is twee orden van grootte hoger dan de typische massa van satellieten, hij werd gevormd als gevolg van een catastrofale botsing. Dan hebben we het recht om te verwachten dat de massa van superjupitersatellieten met 10 Jupiteriaanse massa's (en er zijn er veel van gevonden) in de orde van de massa van Mars zal zijn. Zo'n lichaam kan heel goed worden opgemerkt tijdens de doorgang van een planeet - eerst wordt de ster overschaduwd door de satelliet en vervolgens de planeet zelf. Het effect van de satelliet zal honderd keer minder zijn, maar met goede transitstatistieken (de planeet passeert vele malen de schijf van de ster), kan het min of meer betrouwbaar worden gedetecteerd. Natuurlijk kan een veroverde planeet ook een satelliet blijken te zijn, in dit geval kan hij aanzienlijk groter zijn, maar bijna niemand kan zeggen wat de kans is om een abnormaal groot gevangen object te vinden.
Een andere optie is de timing van de doorvoer. Als de satelliet in zijn baan om de ster de planeet voor is, vindt de doorgang van de planeet iets later plaats, als hij achterblijft - iets eerder. Als bijvoorbeeld alle satellieten van Jupiter tot één worden geassembleerd en op de plaats van Ganymedes worden geplaatst, dan zal de verplaatsing van Jupiter plus of min 100 km zijn, wat wordt uitgedrukt in een vertraging / voortgang van transits met ongeveer 7 s - 4 ordes van grootte minder transittijd. Dit gaat de meetnauwkeurigheid ver te boven. De satelliet moet abnormaal groot zijn. Over het algemeen is deze methode zwakker dan de vorige.
Satellieten van planeten kunnen in principe niet met de spectrometrische methode worden gedetecteerd aan de hand van de radiale snelheid van een ster - hier zijn alle denkbare effecten van een satelliet te verwaarlozen.
De methode van zwaartekracht-microlensing blijft bestaan, maar is gebaseerd op zeldzaam geluk. Als de achtergrondster (niet de gastster, maar de verre ster op de achtergrond) precies achter de planeet met de satelliet passeert, verschijnt er een dubbele piek in de lichtcurve van deze ster.
Drie transits van de planeet Kepler 1625b (er zijn er maar drie in de Kepler-database). De lichtcurve van de ster Kepler 1625 wordt getoond De doorgetrokken lijn is - passend model met een satelliet ter grootte van Neptunus. De statistische significantie van het model - 4,1 σ. Als we de derde transit verwijderen, daalt de significantie tot een verwaarloosbare waarde.
Over het algemeen is de meest veelbelovende methode de eerste van de genoemde methoden: satellietdoorvoer. Het vereist een zeer groot aantal observaties. Zo'n array bestaat, het zijn de archiefgegevens van Kepler, die zich in het publieke domein bevinden. Kepler werkte iets meer dan vier jaar aan het hoofdprogramma. Het is niet voldoende om op betrouwbare wijze satelliettransits in de "levenszone" te detecteren, maar de beste gegevens bestaan niet. Op dit moment moeten daar sporen van satellieten worden gezocht en het is heel goed mogelijk dat er al één satelliet is gevonden.
De zoektocht naar exoluns
De eerste aanwijzing van satellieten werd gevonden nabij de planeet met het "telefoonnummer" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. Het is een gigantische planeet met een massa van 20 Jupiter - op de rand van een bruine dwerg1. Doorvoeringen lieten zien dat het een enorm systeem van ringen heeft, de ringen hebben gaten en satellieten zouden in de gaten moeten zitten - ze eten deze gaten op. Het is allemaal. Er is geen andere informatie over deze satellieten.
Een andere satelliet werd gevonden door microlensing van een weesplaneet die vrij in de ruimte vloog. Het is moeilijk iets te zeggen over de massa van de planeet en de satelliet - het kan een bruine dwerg zijn met een "neptunus" eromheen. Deze zaak is niet zo interessant.
In 2012 kondigden astronomen van het Pulkovo-observatorium de mogelijke ontdekking aan van een satelliet nabij de exoplaneet WASP 12b. Het is een zeer hete Jupiter die in een dag in een baan om een ster uit de Zonneklasse draait. Tijdens de doorgang van de planeet werden uitbarstingen van helderheid waargenomen, die volgens de auteurs van de waarnemingen kunnen worden geïnterpreteerd als de passage van de planeet door stervlekken of als een satelliet van de planeet, die periodiek samensmelt met zijn schijf. De tweede interpretatie heeft een merkbare reactie veroorzaakt in de Russische pers, maar het is gewoon niet fysiek: de Hill-bol voor deze planeet valt praktisch samen met de Roche-zone. Er kan daar geen satelliet zijn.
Om exonen te zoeken in de Kepler-gegevens, werd het HEK-project (Hunt for Exomoons with Kepler) georganiseerd. Het projectteam heeft de gegevens goed door elkaar geschud en lijkt daar wat bruikbare informatie uit te hebben gehaald. Toegegeven, niet erg optimistisch. Onderstaande resultaten zijn in oktober 2017 gepubliceerd in één artikel2.
Enerzijds werd een indicatie van de satelliet van de planeet Kepler 1625 b gevonden. De statistische significantie is ongeveer 4 σ, wat vrij klein is gezien het grote aantal onderzochte exoplaneten. Erger nog, in dezelfde studie werd een "antisatelliet" gevonden nabij een planeet van een van de sterren, dat wil zeggen, een signaal van het tegenovergestelde teken met dezelfde betekenis van 4 σ. Het is duidelijk dat dit signaal vals is, aangezien er geen natuurverschijnselen zijn die de "anti-satelliet" nabootsen. Bovendien had de planeet maar drie transits en slechts één daarvan is overtuigend genoeg. Als het effect wordt bevestigd, wordt het een satelliet ter grootte van Neptunus voor een planeet met een massa van ten minste 10 Jupiter-massa's (de massa wordt geschat op basis van de baan van de vermeende satelliet), die overeenkomt met de veroverde planeet. De satelliet met de planeet bevindt zich in de "levenszone": verwarming is precies hetzelfde als die van de aarde. De baan van de vermeende planeet is stabiel - diep in de Hill-sfeer en ver voorbij de Roche-limiet. De auteurs staan niet op de ontdekking en gaven opdracht tot observatie van Kepler 1625 door de Hubble-telescoop voor 28-29 oktober 2017 - het tijdstip van de volgende doortocht. Het vond plaats. Er is geen gepubliceerde informatie, behalve een samenvatting van de conferentie met een samenvatting "voorlopige resultaten van waarnemingen worden gerapporteerd". Dit betekent hoogstwaarschijnlijk dat de waarneming geen eenduidig resultaat opleverde.dat de waarneming geen eenduidig resultaat opleverde.dat de waarneming geen eenduidig resultaat opleverde.
Een ander teleurstellend resultaat is het optellen van de transits van veel planeten uit de Kepler-database. De auteurs hebben meer dan driehonderd exoplaneten geselecteerd, die vanuit hun oogpunt het meest veelbelovend zijn voor het zoeken naar satellieten. Criteria zijn onder meer een baan tussen 1 en 0,1 AU en een goede datakwaliteit. Als het gewenste effect werd de verduistering van de ster ten opzichte van de analoog van de Galilese satellieten van de planeet, d.w.z. de analogen van de Galileïsche satellieten van Jupiter geschaald naar de grootte van de planeet, onthuld. In dit geval werd de som van de lichtkrommen voor alle transits van alle planeten in het monster genomen.
Helaas is het positieve signaal niet groter dan 2 σ, en het resultaat legt een wetenschappelijk significante bovengrens op aan de overvloed aan grote satellieten. Het aantal planeten met een analoog van de Galilese satellieten is niet groter dan 0,38 bij een betrouwbaarheidsniveau van 95%.
Het lijkt erop dat het tekort aan exoplanetsatellieten in verhouding tot de satellieten van Jupiter vrij reëel is. De eenvoudigste verklaring: de populatie van grote exoplaneten binnen 1 AU. Dat wil zeggen, voor sterren van de klasse van de zon zijn dit hoogstwaarschijnlijk migranten uit verder afgelegen streken. Wat wordt er gedaan met planetaire satellieten tijdens migratie? Het is mogelijk dat ze hun stabiliteit verliezen.
Tenslotte. Een team van serieuze wetenschappers kamde de gegevens van Kepler voor exoplaneetsatellieten. Betekent dit dat het onderwerp is uitgeput en dat het voor niemand schijnt om iets nieuws te vinden in deze gegevens over exoluns? Niets van dit alles! Ten eerste moet elk werk ter verificatie worden herhaald. Mijn vrienden controleerden de gegevens van de WMAP-microgolftelescoop, die dubbel op de gaten leken te zijn gecontroleerd, en vonden duidelijke artefacten, die vervolgens moesten worden gecorrigeerd. Ten tweede is dit een enorme hoeveelheid werk die de kracht van één team te boven gaat. Daarom wil ik vrijwilligers aanmoedigen: de gegevens zijn open, alleen grijze materie is vereist, die nog beschikbaar is in Rusland.
Boris Stern