Ad ogni conferenza pubblica sugli esopianeti, qualcuno fa necessariamente una domanda sui satelliti degli esopianeti. La domanda è così interessante che merita un articolo a parte.
Al momento, il numero di esopianeti trovati si sta avvicinando a seimila (compresi quelli non confermati). Quanti grandi satelliti dovrebbero avere questi pianeti? Guardando il nostro sistema solare, possiamo presumere che più o meno lo stesso: abbiamo sette satelliti delle dimensioni della Luna e più grandi (Luna, Io, Europa, Ganimede, Callisto, Titano, Tritone) per otto pianeti. E i satelliti degli esopianeti? Ahimè, finora quasi niente. Eppure iniziano a emergere i primi risultati, ancora vaghi.
I satelliti dei pianeti sono interessanti perché su di essi la vita è possibile, anche se il pianeta è gigantesco e di per sé non è in alcun modo adattato alla vita. Ad esempio, nella "zona abitabile" sono stati trovati parecchi pianeti giganti (45 secondo i dati del 2014). Se hanno satelliti abbastanza grandi, perché non dovrebbe sorgere la vita su di loro? Dovrebbe esserci una vista meravigliosa: un pianeta gigante che domina il cielo, visibile sia di giorno che di notte. Naturalmente, un'immagine del genere ispira artisti e, in una certa misura, ricercatori, che lavorano con i dati di Keplero. A quanto pare, questi dati sono l'unico posto in cui è attualmente possibile scoprire un satellite esopianeta.
Per cominciare, alcuni concetti utili.
Il satellite di un pianeta non può ruotarci attorno a nessuna distanza. La dimensione dell'orbita è limitata dall'alto dalla cosiddetta sfera di Hill, al di fuori della quale il satellite esce dal campo gravitazionale del pianeta e diventa compagno indipendente della stella. Ecco il raggio di questa sfera per il caso più semplice, quando l'orbita del satellite è circolare: RH = a (m / 3M) 1/3, dove a è il semiasse maggiore dell'orbita del pianeta, m è la massa del pianeta, M è la massa della stella. Per la Terra, il raggio della collina è di circa 1,5 milioni di km. Un po 'più lontano si trovano i punti di Lagrange L1 e L2, dove vengono estratti i telescopi spaziali. Il raggio della collina vicino a Nettuno, un record nel sistema solare, è di circa 100 milioni di km. In realtà, a causa di vari fattori di disturbo, il raggio delle orbite, che sono stabili su una scala di miliardi di anni, è inferiore - circa la metà o addirittura un terzo del raggio di Hill.
La dimensione dell'orbita è limitata anche dal basso: in un'orbita troppo ravvicinata, il satellite viene dilaniato dalla gravità del pianeta e si trasforma in una sorta di anelli di Saturno. Questo limite è chiamato zona di Roche, la sua essenza: le forze di marea superano l'auto-gravità del satellite. Il limite di Roche dipende dalla rigidità di quest'ultimo: se un satellite può deformarsi come un liquido, allora il limite di Roche è quasi il doppio. Tutti i satelliti del sistema solare sono al di fuori del limite "duro" di Roche, ma alcuni esistono felicemente all'interno del limite "liquido", per esempio, i cinque satelliti più vicini di Saturno.
Per i Giove più caldi, il raggio della sfera di Hill è vicino al limite di Roche: di certo non possono avere satelliti. Ma esistono altri meccanismi per l'instabilità delle orbite dei satelliti che operano in prossimità della stella, cosicché la probabilità dell'esistenza di satelliti in pianeti con un periodo orbitale fino a 10-20 giorni per miliardi di anni è trascurabile. È un peccato, dal momento che ci sono molti esopianeti di breve periodo tra gli esopianeti scoperti e nei prossimi anni domineranno tra i nuovi arrivati. E, cosa più importante, i satelliti dei pianeti di breve periodo sarebbero più facili da rilevare se fossero lì.
Ma siamo più interessati ai satelliti dei pianeti nella "zona abitabile". Lì, le loro orbite possono essere stabili per molti miliardi di anni - guarda la luna.
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Come trovare un satellite esopianeta
Quanto possono essere grandi i satelliti planetari? A giudicare dal sistema solare, il rapporto tipico tra la massa totale dei satelliti e la massa del pianeta è 1/10000. Questo è vero per il sistema Giove, Saturno (con un leggero eccesso dovuto a Titano) e Urano. Nettuno e Marte hanno meno satelliti "nativi" (Tritone non è nativo, è un oggetto della fascia di Kuiper catturato). Apparentemente, un tale rapporto è naturale quando i satelliti sono formati da un disco polveroso attorno al pianeta. La luna è una conversazione separata, la sua massa è di due ordini di grandezza superiore alla massa tipica dei satelliti, si è formata a seguito di una collisione catastrofica. Allora abbiamo il diritto di aspettarci che la massa dei satelliti supergiove con 10 masse gioviane (e ce ne sono state molte ne sono state trovate) sarà dell'ordine della massa di Marte. Un tale corpo potrebbe essere ben visibile durante il transito di un pianeta: prima la stella viene eclissata dal satellite, quindi il pianeta stesso. L'effetto del satellite sarà cento volte inferiore, ma con buone statistiche di transito (il pianeta attraversa il disco della stella molte volte), può essere rilevato in modo più o meno affidabile. Ovviamente un pianeta catturato può anche essere un satellite, in questo caso può essere significativamente più grande, ma quasi nessuno è in grado di dire quale sia la probabilità di trovare un oggetto catturato di dimensioni anormali.
Un'altra opzione è il tempo di transito. Se il satellite è davanti al pianeta nella sua orbita attorno alla stella, il transito del pianeta avviene un po 'più tardi, se è in ritardo, un po' prima. Ad esempio, se tutti i satelliti di Giove sono assemblati in uno solo e posti al posto di Ganimede, lo spostamento di Giove sarà di più o meno 100 km, che si esprime in un ritardo / anticipo dei transiti di circa 7 s - 4 ordini di grandezza in meno del tempo di transito. Questo va ben oltre l'accuratezza della misurazione. Il satellite deve essere anormalmente grande. In generale, questo metodo è più debole del precedente.
I satelliti dei pianeti, in linea di principio, non possono essere rilevati con il metodo spettrometrico dalla velocità radiale di una stella - qui tutti gli effetti immaginabili da un satellite sono trascurabili.
Il metodo del microlensing gravitazionale rimane, ma si basa su una rara fortuna. Se la stella sullo sfondo (non la stella ospite, ma quella distante sullo sfondo) passa esattamente dietro il pianeta con il satellite, apparirà un doppio picco nella curva di luce di questa stella.
Tre transiti del pianeta Kepler 1625b (ce ne sono solo tre nel database Kepler). Viene mostrata la curva di luce della stella Kepler 1625. La linea continua è - modello adatto con un satellite delle dimensioni di Nettuno. La significatività statistica del modello - 4.1 σ. Se togliamo il terzo transito, il significato scende a un valore trascurabile.
In generale, il più promettente è il primo dei metodi elencati: transito satellitare. Richiede una vasta gamma di osservazioni. Un tale array esiste, sono i dati di archivio di Keplero, che sono di pubblico dominio. Kepler ha lavorato al programma principale per poco più di quattro anni. Non è sufficiente rilevare in modo affidabile i transiti satellitari nella "zona della vita", ma i dati migliori non esistono. Al momento, è necessario cercare lì le tracce dei satelliti ed è del tutto possibile che un satellite sia già stato trovato.
La ricerca di exolun
Il primo accenno di satelliti è stato trovato vicino al pianeta con il "numero di telefono" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. È un pianeta gigante con una massa di 20 Giove, sull'orlo di una nana bruna1. I transiti hanno mostrato che ha un enorme sistema di anelli, gli anelli hanno degli spazi vuoti e i satelliti dovrebbero sedersi negli spazi vuoti: mangiano questi spazi vuoti. È tutto. Non ci sono altre informazioni su questi satelliti.
Un altro satellite è stato trovato microlensendo un pianeta orfano che volava liberamente nello spazio. È difficile dire qualcosa sulla massa del pianeta e del satellite: potrebbe essere una nana bruna con un "nettuno" in orbita attorno ad essa. Questo caso non è così interessante.
Nel 2012, gli astronomi dell'Osservatorio Pulkovo hanno annunciato la possibile scoperta di un satellite vicino all'esopianeta WASP 12b. È un Giove molto caldo in orbita attorno a una stella di classe Sole in un giorno. Durante il transito del pianeta sono state osservate esplosioni di luminosità che, secondo gli autori delle osservazioni, possono essere interpretate come il passaggio del pianeta attraverso macchie stellari o come un satellite del pianeta, che periodicamente si fonde con il suo disco. La seconda interpretazione ha causato una risposta notevole nella stampa russa, ma semplicemente non è fisica: la sfera Hill per questo pianeta coincide praticamente con la zona di Roche. Non può esserci alcun satellite lì.
Per cercare esoni nei dati Kepler, è stato organizzato il progetto HEK (Hunt for Exomoons with Kepler). Il team del progetto ha scosso bene i dati e sembra aver tirato fuori alcune informazioni utili. È vero, non molto ottimista. I risultati seguenti sono stati pubblicati nell'ottobre 2017 in un articolo2.
Da un lato è stata trovata un'indicazione del satellite del pianeta Kepler 1625 b. La significatività statistica è di circa 4 σ, che è piuttosto piccola, dato il gran numero di esopianeti studiati. Peggio ancora, nello stesso studio, un "antisatellite" è stato trovato vicino a un pianeta di una delle stelle, cioè un segnale di segno opposto con lo stesso significato di 4 σ. È chiaro che questo segnale è falso, poiché non ci sono fenomeni naturali che imitano l '"anti-satellite". Inoltre, il pianeta aveva solo tre transiti, e solo uno di loro è abbastanza convincente. Se l'effetto è confermato, sarà un satellite delle dimensioni di Nettuno per un pianeta con una massa di almeno 10 masse di Giove (la massa è stimata dall'orbita del presunto satellite), che corrisponde al pianeta catturato. Il satellite con il pianeta si trova nella "zona vitale": il riscaldamento è esattamente lo stesso di quello della Terra. L'orbita del presunto pianeta è stabile - in profondità all'interno della sfera di Hill e ben oltre il limite di Roche. Gli autori non insistono sulla scoperta e hanno ordinato l'osservazione di Kepler 1625 dal telescopio Hubble per il 28-29 ottobre 2017, l'ora del prossimo transito. Prende posto. Non ci sono informazioni pubblicate, ad eccezione di un abstract della conferenza con un sommario "sono stati riportati i risultati preliminari delle osservazioni". Questo molto probabilmente significa che l'osservazione non ha dato un risultato univoco.che l'osservazione non ha dato un risultato univoco.che l'osservazione non ha dato un risultato univoco.
Un altro risultato deludente deriva dalla somma dei transiti di molti pianeti dal database di Kepler. Gli autori hanno selezionato più di trecento esopianeti, che, dal loro punto di vista, sono i più promettenti per la ricerca di satelliti. I criteri includono un'orbita tra 1 e 0,1 UA e una buona qualità dei dati. Come effetto desiderato, è stato rivelato l'oscuramento della stella dall'analogo dei satelliti galileiani del pianeta, cioè gli analoghi dei satelliti galileiani di Giove scalati dalle dimensioni del pianeta. In questo caso, è stata presa la somma delle curve di luce per tutti i transiti di tutti i pianeti nel campione.
Purtroppo, il segnale positivo non supera i 2 σ e il risultato pone un limite superiore scientificamente significativo all'abbondanza di grandi satelliti. La proporzione di pianeti con un analogo dei satelliti galileiani non supera lo 0,38 con un livello di confidenza del 95%.
Sembra che la carenza di satelliti esopianetali rispetto ai satelliti di Giove sia abbastanza reale. La spiegazione più semplice: la popolazione di grandi esopianeti entro 1 UA. Cioè, per le stelle della classe del Sole, questi sono molto probabilmente migranti da regioni più lontane. Cosa si fa con i satelliti planetari durante la migrazione? È possibile che stiano perdendo stabilità.
Finalmente. Un team di scienziati seri ha setacciato i dati di Kepler per i satelliti di esopianeti. Questo significa che l'argomento è stato esaurito e non spaventa a nessuno trovare qualcosa di nuovo in questi dati riguardanti gli esoluni? Niente di simile! Innanzitutto, qualsiasi lavoro deve essere ripetuto per la verifica. I miei amici hanno ricontrollato i dati del telescopio a microonde WMAP, che sembrava essere stato ricontrollato ai fori, e hanno trovato evidenti artefatti, che poi hanno dovuto essere corretti. In secondo luogo, questa è un'enorme quantità di lavoro che va oltre il potere di una squadra. Pertanto, vorrei incoraggiare i volontari: i dati sono aperti, è necessaria solo la materia grigia, che è ancora disponibile in Russia.
Boris Stern
