Katrā publiskajā lekcijā par eksoplanetām kāds noteikti uzdod jautājumu par eksoplanetu satelītiem. Jautājums ir tik interesants, ka ir pelnījis atsevišķu rakstu.
Pašlaik atrasto eksoplanetu skaits tuvojas sešiem tūkstošiem (ieskaitot neapstiprinātās). Cik lieliem pavadoņiem vajadzētu būt šīm planētām? Aplūkojot mūsu Saules sistēmu, mēs varam pieņemt, ka apmēram tas pats - mums ir septiņi mēness lieluma un astoņi satelīti uz astoņām planētām (Mēness, Io, Eiropa, Ganimīde, Callisto, Titāns, Tritons). Kā ir ar eksoplanetu satelītiem? Diemžēl līdz šim gandrīz nekas. Tomēr sāk parādīties pirmie, pagaidām neskaidros rezultāti.
Planētu satelīti ir interesanti, jo uz tiem ir iespējama dzīvība, pat ja planēta ir gigantiska un pati par sevi nekādā veidā nav pielāgota dzīvei. Piemēram, "apdzīvojamā zonā" tika atrasti diezgan daudz milzu planētu (pēc 2014. gada datiem - 45). Ja viņiem ir pietiekami lieli satelīti, kāpēc gan viņiem nevajadzētu rasties dzīvībai? Jābūt brīnišķīgam skatam: debesīs dominē milzu planēta, kas ir redzama gan naktī, gan dienā. Protams, šāds attēls iedvesmo māksliniekus un zināmā mērā pētniekus, strādājot ar Keplera datiem. Acīmredzot šie dati ir vienīgā vieta, kur pašlaik var atklāt eksoplanētas satelītu.
Iesācējiem daži noderīgi jēdzieni.
Planētas satelīts nevar apgriezties ap to nevienā attālumā. Orbītas lielumu no augšas ierobežo tā saucamā Kalna sfēra, ārpus kuras satelīts atstāj planētas gravitācijas lauku un kļūst par neatkarīgu zvaigznes pavadoni. Šeit ir šīs sfēras rādiuss vienkāršākajam gadījumam, kad satelīta orbīta ir apļveida: RH = a (m / 3M) 1/3, kur a ir planētas orbītas puslīdz galvenā ass, m ir planētas masa, M ir zvaigznes masa. Zemei Kalna rādiuss ir aptuveni 1,5 miljoni km. Nedaudz tālāk atrodas Lagranža punkti L1 un L2, kur tiek izvadīti kosmosa teleskopi. Kalna rādiuss pie Neptūna - rekords Saules sistēmā - ir aptuveni 100 miljoni km. Patiesībā dažādu traucējošu faktoru dēļ orbītu rādiuss, kas ir stabils miljardu gadu skalā, ir mazāks - apmēram puse vai pat trešdaļa no Kalna rādiusa.
Orbītas lielums ir ierobežots arī no apakšas: pārāk tuvu orbītā satelītu saplīst planētas smagums un tas pārvēršas par sava veida Saturna gredzeniem. Šo robežu sauc par Roche zonu, tās būtība: plūdmaiņas spēki pārsniedz satelīta pašsmagumu. Roche robeža ir atkarīga no pēdējās stingrības: ja satelīts var deformēties kā šķidrums, tad Roche robeža ir gandrīz divreiz lielāka. Visi Saules sistēmas satelīti atrodas ārpus "cietās" Ročes robežas, bet daži laimīgi eksistē "šķidruma" robežas iekšienē, piemēram, pieci tuvākie Saturna satelīti.
Karstākajiem Jupiteriem Kalna sfēras rādiuss ir tuvu Ročes robežai - viņiem noteikti nevar būt satelīti. Bet ir arī citi satelīta orbītu nestabilitātes mehānismi, kas darbojas zvaigznes tuvumā, tāpēc satelītu eksistences varbūtība planētās ar orbitālo periodu līdz 10-20 dienām miljardu gadu laikā ir niecīga. Žēl, jo starp atklātajām eksoplanetām ir ļoti daudz īslaicīgu eksoplanetu, un nākamajos gados tās dominēs starp jaunpienācējiem. Un pats galvenais - īslaicīgu planētu satelītus būtu visvieglāk atklāt, ja tie tur atrastos.
Bet mūs visvairāk interesē planētu satelīti, kas atrodas “apdzīvojamā zonā”. Tur viņu orbītas var būt stabilas daudzus miljardus gadu - paskatieties uz mēnesi.
Reklāmas video:
Kā atrast eksoplanētas satelītu
Cik lieli var būt planētu satelīti? Spriežot pēc Saules sistēmas, tipiskā satelītu kopējās masas un planētas masas attiecība ir 1/10000. Tas attiecas uz Jupitera sistēmu, Saturnu (ar nelielu pārsvaru Titāna dēļ) un Urānu. Neptūnam un Marsam ir mazāk "vietējo" satelītu (Tritons nav vietējais, tas ir notverts Kuipera jostas objekts). Acīmredzot šāda attiecība ir dabiska, ja satelīti veidojas no putekļaina diska ap planētu. Mēness ir atsevišķa saruna, tā masa ir par divām kārtām augstāka nekā tipiskā satelītu masa, tas izveidojās katastrofiskas sadursmes rezultātā. Tad mums ir tiesības sagaidīt, ka superjupitera pavadoņu masa ar 10 Jupiteru masām (un tādu ir daudz ir atrasts) būs pēc Marsa masas. Šāds ķermenis var būt labi pamanāms planētas tranzīta laikā - vispirms zvaigzni aizēno satelīts, tad pati planēta. Efekts no satelīta būs simts reizes mazāks, taču ar labu tranzīta statistiku (planēta daudzkārt šķērso zvaigznes disku) to var vairāk vai mazāk ticami noteikt. Protams, sagūstīta planēta var būt arī satelīts, šajā gadījumā tā var būt ievērojami lielāka, taču diez vai kāds spēj pateikt, kāda ir neparasti liela uzņemta objekta atrašanas varbūtība.
Vēl viena iespēja ir tranzīta grafiks. Ja satelīts atrodas priekšā planētai savā orbītā ap zvaigzni, planētas tranzīts notiek nedaudz vēlāk, ja tas atpaliek - nedaudz agrāk. Piemēram, ja visi Jupitera satelīti ir salikti vienā un novietoti Ganimēdes vietā, tad Jupitera pārvietojums būs plus vai mīnus 100 km, kas tiek izteikts tranzīta kavējumā / progresā par aptuveni 7 s - 4 magnitūdas kārtas mazāks tranzīta laiks. Tas tālu pārsniedz mērījumu precizitāti. Satelītam jābūt neparasti lielam. Kopumā šī metode ir vājāka nekā iepriekšējā.
Planētu satelītus principā nevar noteikt ar spektrometrisko metodi no zvaigznes radiālā ātruma - šeit visi iespējamie satelīta radītie efekti ir niecīgi.
Gravitācijas mikrolīdzināšanas metode joprojām ir saglabājusies, taču tās pamatā ir reta veiksme. Ja fona zvaigzne (nevis galvenā zvaigzne, bet tālākā fonā) ar satelītu iet tieši aiz planētas, šīs zvaigznes gaismas līknē parādīsies dubultā smaile.
Trīs planētas Kepler 1625b tranzīti (Keplera datu bāzē ir tikai trīs). Tiek parādīta zvaigznes Kepler 1625 gaismas līkne. Nepārtrauktā līnija ir - piemērots modelis ar Neptūna izmēra satelītu. Modeļa statistiskā nozīmība - 4,1 σ. Ja mēs noņemam trešo tranzītu, nozīmīgums samazinās līdz nenozīmīgai vērtībai.
Kopumā visdaudzsološākā ir pirmā no uzskaitītajām metodēm - satelīta tranzīts. Tas prasa ļoti lielu novērojumu klāstu. Šāds masīvs pastāv, tie ir Keplera arhīva dati, kas ir publiski pieejami. Keplers pie galvenās programmas strādāja nedaudz vairāk kā četrus gadus. Nepietiek ar to, lai ticami noteiktu satelīta tranzītu "dzīves zonā", bet labākie dati neeksistē. Pašlaik tur jāmeklē satelītu pēdas, un ir pilnīgi iespējams, ka viens satelīts jau ir atrasts.
Izmeklētāju meklēšana
Pirmais satelītu mājiens tika atrasts netālu no planētas ar "telefona numuru" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. Tā ir milzu planēta ar masu 20 Jupitera - uz brūnā pundura robežas1. Tranzīti parādīja, ka tam ir milzīga gredzenu sistēma, gredzenos ir spraugas, un satelītiem vajadzētu sēdēt spraugās - viņi ēd šīs spraugas. Tas ir viss. Par šiem satelītiem nav citas informācijas.
Vēl viens satelīts tika atrasts, mikrolensējot planētai bārenei, kas brīvi lido kosmosā. Grūti kaut ko pateikt par planētas un satelīta masu - tas var būt brūns punduris ar ap to riņķojošo "neptūnu". Šis gadījums nav tik interesants.
2012. gadā Pulkovo observatorijas astronomi paziņoja par iespējamu satelīta atklāšanu netālu no eksoplanetes WASP 12b. Tas ir ļoti karsts Jupiters, kas dienā riņķo ap Saules klases zvaigzni. Planētas tranzīta laikā tika novēroti spilgtuma pārrāvumi, ko, kā vēro novērojumu autori, var interpretēt kā planētas caurbraukšanu pa zvaigžņu plankumiem vai kā planētas satelītu, periodiski saplūstot ar tā disku. Otrā interpretācija ir izraisījusi pamanāmu reakciju krievu presē, taču tā vienkārši nav fiziska: šīs planētas kalna sfēra praktiski sakrīt ar Ročes zonu. Tur nevar būt satelīta.
Lai Keplera datos meklētu eksāmenus, tika organizēts projekts HEK (Homo for Exomoons with Kepler). Projekta komanda ir labi sakratījusi datus un, šķiet, no turienes ir izvilkusi noderīgu informāciju. Tiesa, ne pārāk optimistiski. Zemāk redzamie rezultāti tika publicēti 2017. gada oktobrī vienā rakstā2.
No vienas puses, tika atrasta planētas Kepler 1625 b satelīta norāde. Statistiskais nozīmīgums ir aptuveni 4 σ, kas ir diezgan mazs, ņemot vērā lielo izpētīto eksoplanetu skaitu. Sliktāk, ka tajā pašā pētījumā netālu no vienas zvaigznes planētas tika atrasts "antisatellīts", tas ir, pretējas zīmes signāls ar tādu pašu nozīmi 4 σ. Ir skaidrs, ka šis signāls ir nepatiess, jo nav nekādu dabas parādību, kas imitētu "anti-satelītu". Turklāt planētai bija tikai trīs tranzīti, un tikai viens no tiem ir pietiekami pārliecinošs. Ja efekts tiek apstiprināts, tas būs Neptūna lieluma satelīts planētai, kuras masa ir vismaz 10 Jupitera masu (masa tiek aprēķināta no iespējamā satelīta orbītas), kas atbilst notvertai planētai. Satelīts ar planētu atrodas "dzīves zonā": apkure ir tieši tāda pati kā Zemei. Iedomājamās planētas orbīta ir stabila - dziļi Kalna sfērā un tālu aiz Ročes robežas. Autori neuzstāj uz atklāšanu un lika novērot Kepleru 1625 ar Habla teleskopu 2017. gada 28. – 29. Oktobrī - nākamā tranzīta laikā. Tas notika. Nav publicētas informācijas, izņemot konferences kopsavilkumu ar kopsavilkumu “tiek ziņoti par novērojumu provizoriskajiem rezultātiem”. Tas, visticamāk, nozīmē, ka novērojums nesniedza viennozīmīgu rezultātu.ka novērojums nesniedza viennozīmīgu rezultātu.ka novērojums nesniedza viennozīmīgu rezultātu.
Vēl viens neapmierinošs rezultāts ir daudzu planētu tranzītu summēšana no Keplera datu bāzes. Autori ir izvēlējušies vairāk nekā trīs simtus eksoplanetu, kuras, pēc viņu domām, ir visdaudzsološākās satelītu meklēšanai. Kritēriji ietver orbītu no 1 līdz 0,1 AU un labu datu kvalitāti. Kā vēlamais efekts tika atklāta zvaigznes aptumšošanās no planētas Galilejas satelītu analogiem, tas ir, Jupitera Galilejas satelītu analogiem, kas mērogi pēc planētas lieluma. Šajā gadījumā tika ņemta gaismas līkņu summa visu parauga planētu tranzītam.
Diemžēl pozitīvais signāls nepārsniedz 2 σ, un rezultāts uzliek zinātniski nozīmīgu lielo satelītu skaita augšējo robežu. Planētu proporcija ar Galilejas satelītu analogiem nepārsniedz 0,38 pie 95% ticamības līmeņa.
Liekas, ka eksoplanētu satelītu trūkums attiecībā pret Jupitera satelītiem ir diezgan reāls. Vienkāršākais skaidrojums: lielu eksoplanetu populācija 1 ĀS robežās. Tas ir, Saules klases zvaigznēm tie, visticamāk, ir migranti no attālākiem reģioniem. Kas tiek darīts ar planētu satelītiem migrācijas laikā? Iespējams, ka viņi zaudē stabilitāti.
Visbeidzot. Nopietnu zinātnieku komanda ķemmēja Keplera datus par eksoplanētu satelītiem. Vai tas nozīmē, ka šī tēma ir izsmelta, un nevienam nav patīkami atrast kaut ko jaunu šajos datos par izņēmumiem? Nekas tāds! Pirmkārt, jebkurš darbs ir jāatkārto pārbaudei. Mani draugi vēlreiz pārbaudīja WMAP mikroviļņu teleskopa datus, kas, šķiet, tika vēlreiz pārbaudīti līdz caurumiem, un atrada acīmredzamus artefaktus, kas pēc tam bija jālabo. Otrkārt, tas ir milzīgs darba apjoms, kas ir ārpus vienas komandas spēka. Tāpēc es vēlētos mudināt brīvprātīgos: dati ir atklāti, ir nepieciešama tikai pelēkā viela, kas joprojām ir pieejama Krievijā.
Boriss Šterns