Bei jedem öffentlichen Vortrag über Exoplaneten stellt jemand unbedingt eine Frage zu Exoplaneten-Satelliten. Die Frage ist so interessant, dass sie einen separaten Artikel verdient.
Derzeit nähert sich die Anzahl der gefundenen Exoplaneten sechstausend (einschließlich unbestätigter). Wie viele große Satelliten sollten diese Planeten haben? Wenn wir unser Sonnensystem betrachten, können wir davon ausgehen, dass ungefähr sieben Satelliten von der Größe des Mondes und größer (Mond, Io, Europa, Ganymed, Callisto, Titan, Triton) pro acht Planeten sind. Was ist mit den Satelliten von Exoplaneten? Leider bisher fast nichts. Doch die ersten, noch vagen Ergebnisse zeichnen sich ab.
Die Satelliten der Planeten sind interessant, weil auf ihnen Leben möglich ist, auch wenn der Planet gigantisch ist und an sich in keiner Weise für das Leben angepasst ist. Zum Beispiel wurden in der "bewohnbaren Zone" einige Riesenplaneten gefunden (45 nach Angaben von 2014). Wenn sie Satelliten haben, die groß genug sind, warum sollte dann kein Leben auf ihnen entstehen? Es sollte eine wundervolle Aussicht geben: ein riesiger Planet, der den Himmel dominiert und Tag und Nacht sichtbar ist. Natürlich inspiriert ein solches Bild Künstler und zum Teil Forscher, die mit Keplers Daten arbeiten. Anscheinend sind diese Daten der einzige Ort, an dem derzeit ein Exoplaneten-Satellit entdeckt werden kann.
Für den Anfang einige nützliche Konzepte.
Der Satellit eines Planeten kann sich in keiner Entfernung um ihn drehen. Die Größe der Umlaufbahn wird von oben durch die sogenannte Hügelkugel begrenzt, außerhalb derer der Satellit das Gravitationsfeld des Planeten verlässt und ein unabhängiger Begleiter des Sterns wird. Hier ist der Radius dieser Kugel für den einfachsten Fall, wenn die Umlaufbahn des Satelliten kreisförmig ist: RH = a (m / 3M) 1/3, wobei a die Semi-Major-Achse der Umlaufbahn des Planeten ist, m die Masse des Planeten ist, M die Masse des Sterns ist. Für die Erde beträgt der Hügelradius etwa 1,5 Millionen km. Etwas weiter entfernt befinden sich die Lagrange-Punkte L1 und L2, an denen Weltraumteleskope herausgenommen werden. Der Radius von Hill in der Nähe von Neptun, ein Rekord im Sonnensystem, beträgt etwa 100 Millionen km. In der Realität ist der Radius der Umlaufbahnen, die auf einer Skala von Milliarden von Jahren stabil sind, aufgrund verschiedener Störfaktoren geringer - etwa die Hälfte oder sogar ein Drittel des Hügelradius.
Die Größe der Umlaufbahn ist auch von unten begrenzt: In einer zu engen Umlaufbahn wird der Satellit durch die Schwerkraft des Planeten auseinandergerissen und verwandelt sich in eine Art Saturnringe. Diese Grenze wird als Roche-Zone bezeichnet, ihre Essenz: Die Gezeitenkräfte überschreiten die Selbstgravitation des Satelliten. Die Roche-Grenze hängt von der Steifigkeit der letzteren ab: Wenn sich ein Satellit wie eine Flüssigkeit verformen kann, ist die Roche-Grenze fast doppelt so hoch. Alle Satelliten des Sonnensystems befinden sich außerhalb der "harten" Roche-Grenze, aber einige existieren glücklicherweise innerhalb der "flüssigen" Grenze, zum Beispiel die fünf nächsten Satelliten des Saturn.
Für die heißesten Jupiter liegt der Radius der Hill-Kugel nahe der Roche-Grenze - sie können sicherlich keine Satelliten haben. Es gibt jedoch auch andere Mechanismen für die Instabilität von Satellitenumlaufbahnen in der Nähe des Sterns, so dass die Wahrscheinlichkeit der Existenz von Satelliten auf Planeten mit einer Umlaufzeit von bis zu 10 bis 20 Tagen für Milliarden von Jahren vernachlässigbar ist. Es ist schade, da es unter den entdeckten Exoplaneten viele kurzfristige Exoplaneten gibt, die in den kommenden Jahren unter Neuankömmlingen dominieren werden. Und vor allem wären Satelliten von Kurzzeitplaneten am einfachsten zu erkennen, wenn sie dort wären.
Am meisten interessieren uns aber die Satelliten der Planeten in der "bewohnbaren Zone". Dort können ihre Umlaufbahnen viele Milliarden Jahre lang stabil sein - schauen Sie auf den Mond.
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So finden Sie einen Exoplaneten-Satelliten
Wie groß können Planetensatelliten sein? Dem Sonnensystem nach zu urteilen, beträgt das typische Verhältnis der Gesamtmasse der Satelliten zur Masse des Planeten 1/10000. Dies gilt für das Jupiter-System Saturn (mit einem leichten Überschuss aufgrund von Titan) und Uranus. Neptun und Mars haben weniger "native" Satelliten (Triton ist nicht native, es ist ein gefangenes Kuipergürtelobjekt). Anscheinend ist ein solches Verhältnis natürlich, wenn Satelliten aus einer staubigen Scheibe um den Planeten gebildet werden. Der Mond ist ein eigenständiges Gespräch, seine Masse ist zwei Größenordnungen höher als die typische Masse von Satelliten, er entstand infolge einer katastrophalen Kollision. Dann haben wir das Recht zu erwarten, dass die Masse der Superjupiter-Satelliten mit 10 Jupiter-Massen (und es wurden viele davon gefunden) in der Größenordnung der Marsmasse liegen wird. Ein solcher Körper kann während des Transits eines Planeten durchaus wahrnehmbar sein - zuerst wird der Stern vom Satelliten verdunkelt, dann vom Planeten selbst. Der Effekt des Satelliten wird hundertmal geringer sein, aber mit einer guten Transitstatistik (der Planet überquert die Scheibe des Sterns oft) kann er mehr oder weniger zuverlässig erkannt werden. Natürlich kann ein erfasster Planet auch ein Satellit sein, in diesem Fall kann er erheblich größer sein, aber kaum jemand kann sagen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, ein ungewöhnlich großes erfasstes Objekt zu finden.
Eine weitere Option ist das Transit-Timing. Befindet sich der Satellit in seiner Umlaufbahn um den Stern vor dem Planeten, erfolgt der Transit des Planeten etwas später, wenn er etwas früher zurückbleibt. Wenn zum Beispiel alle Satelliten des Jupiter zu einem zusammengesetzt und anstelle von Ganymed platziert werden, beträgt die Verschiebung des Jupiter plus oder minus 100 km, was sich in einer Verzögerung / einem Vorlauf der Transite um etwa 7 s - 4 Größenordnungen weniger Transitzeit ausdrückt. Dies geht weit über die Messgenauigkeit hinaus. Der Satellit muss ungewöhnlich groß sein. Im Allgemeinen ist diese Methode schwächer als die vorherige.
Planeten von Planeten können prinzipiell nicht spektrometrisch aus der Radialgeschwindigkeit eines Sterns erfasst werden - hier sind alle denkbaren Effekte eines Satelliten vernachlässigbar.
Die Methode der Gravitationsmikrolinse bleibt bestehen, basiert jedoch auf seltenem Glück. Wenn der Hintergrundstern (nicht der Wirtsstern, sondern der entfernte im Hintergrund) mit dem Satelliten genau hinter dem Planeten vorbeizieht, erscheint in der Lichtkurve dieses Sterns eine doppelte Spitze.
Drei Transite des Planeten Kepler 1625b (es gibt nur drei in der Kepler-Datenbank). Die Lichtkurve des Sterns Kepler 1625 ist gezeigt. Die durchgezogene Linie ist - passendes Modell mit einem Satelliten von der Größe von Neptun. Die statistische Signifikanz des Modells - 4,1 σ. Wenn wir den dritten Transit entfernen, fällt die Signifikanz auf einen vernachlässigbaren Wert.
Im Allgemeinen ist die erste der aufgeführten Methoden - der Satellitentransit - die vielversprechendste. Es erfordert eine sehr große Anzahl von Beobachtungen. Ein solches Array existiert, es sind Keplers Archivdaten, die gemeinfrei sind. Kepler arbeitete etwas mehr als vier Jahre am Hauptprogramm. Es reicht nicht aus, Satellitentransits in der "Lebenszone" zuverlässig zu erkennen, aber die besten Daten existieren nicht. Im Moment müssen dort Spuren von Satelliten gesucht werden, und es ist durchaus möglich, dass bereits ein Satellit gefunden wurde.
Die Suche nach Exoluns
Der erste Hinweis auf Satelliten wurde in der Nähe des Planeten mit der "Telefonnummer" 1SWASP J140747.93-394542.6 b gefunden. Es ist ein riesiger Planet mit einer Masse von 20 Jupiter - am Rande eines Braunen Zwergs1. Transite zeigten, dass es ein riesiges System von Ringen gibt, die Ringe Lücken haben und Satelliten in den Lücken sitzen sollten - sie essen diese Lücken. Das ist alles. Es gibt keine weiteren Informationen zu diesen Satelliten.
Ein weiterer Satellit wurde durch Mikrolinse eines Waisenplaneten gefunden, der frei im Weltraum fliegt. Es ist schwierig, etwas über die Masse des Planeten und des Satelliten zu sagen - es kann sich um einen Braunen Zwerg handeln, um den ein "Neptun" kreist. Dieser Fall ist nicht so interessant.
2012 kündigten Astronomen des Pulkovo-Observatoriums die mögliche Entdeckung eines Satelliten in der Nähe des Exoplaneten WASP 12b an. Es ist ein sehr heißer Jupiter, der an einem Tag einen Stern der Sonnenklasse umkreist. Während des Transits des Planeten wurden Helligkeitsschübe beobachtet, die nach Ansicht der Autoren als Durchgang des Planeten durch Sternflecken oder als Satellit des Planeten interpretiert werden können, der periodisch mit seiner Scheibe verschmilzt. Die zweite Interpretation hat in der russischen Presse eine spürbare Reaktion hervorgerufen, ist aber einfach nicht physikalisch: Die Hügelkugel für diesen Planeten stimmt praktisch mit der Roche-Zone überein. Es kann dort keinen Satelliten geben.
Um in den Kepler-Daten nach Exoons zu suchen, wurde das HEK-Projekt (Hunt for Exomoons with Kepler) organisiert. Das Projektteam hat die Daten gut aufgerüttelt und scheint einige nützliche Informationen herausgeholt zu haben. Richtig, nicht sehr optimistisch. Die folgenden Ergebnisse wurden im Oktober 2017 in einem Artikel2 veröffentlicht.
Einerseits wurde ein Hinweis auf den Satelliten des Planeten Kepler 1625 b gefunden. Die statistische Signifikanz liegt bei etwa 4 σ, was angesichts der großen Anzahl untersuchter Exoplaneten eher gering ist. Schlimmer noch, in derselben Studie wurde ein "Antisatellit" in der Nähe eines Planeten eines der Sterne gefunden, dh ein Signal des entgegengesetzten Vorzeichens mit der gleichen Bedeutung 4 σ. Es ist klar, dass dieses Signal falsch ist, da es keine natürlichen Phänomene gibt, die den "Antisatelliten" imitieren. Darüber hinaus hatte der Planet nur drei Transite, und nur einer davon überzeugt genug. Wenn der Effekt bestätigt wird, handelt es sich um einen Satelliten von der Größe Neptuns für einen Planeten mit einer Masse von mindestens 10 Jupitermassen (die Masse wird aus der Umlaufbahn des angeblichen Satelliten geschätzt), der dem eingefangenen Planeten entspricht. Der Satellit mit dem Planeten befindet sich in der "Lebenszone": Die Erwärmung entspricht genau der der Erde. Die Umlaufbahn des mutmaßlichen Planeten ist stabil - tief in der Hill-Sphäre und weit über der Roche-Grenze. Die Autoren bestehen nicht auf der Entdeckung und ordneten die Beobachtung von Kepler 1625 durch das Hubble-Teleskop für den 28. bis 29. Oktober 2017 an - die Zeit des nächsten Transits. Es fand statt. Es gibt keine veröffentlichten Informationen, außer einem Konferenz-Abstract mit einer Zusammenfassung „Vorläufige Ergebnisse von Beobachtungen werden gemeldet“. Dies bedeutet höchstwahrscheinlich, dass die Beobachtung kein eindeutiges Ergebnis ergab.dass die Beobachtung kein eindeutiges Ergebnis lieferte.dass die Beobachtung kein eindeutiges Ergebnis lieferte.
Ein weiteres enttäuschendes Ergebnis ergibt sich aus der Addition der Transite vieler Planeten aus der Kepler-Datenbank. Die Autoren haben mehr als dreihundert Exoplaneten ausgewählt, die aus ihrer Sicht für die Suche nach Satelliten am vielversprechendsten sind. Kriterien sind eine Umlaufbahn zwischen 1 und 0,1 AE und eine gute Datenqualität. Als gewünschter Effekt wurde die Verdunkelung des Sterns gegenüber dem Analogon der galiläischen Satelliten des Planeten, d. H. Der Analoga der galiläischen Satelliten des Jupiter, skaliert nach der Größe des Planeten, offenbart. In diesem Fall wurde die Summe der Lichtkurven für alle Transite aller Planeten in der Probe genommen.
Leider überschreitet das positive Signal 2 σ nicht und das Ergebnis legt eine wissenschaftlich signifikante Obergrenze für die Häufigkeit großer Satelliten fest. Der Anteil der Planeten mit einem Analogon der galiläischen Satelliten überschreitet bei einem Konfidenzniveau von 95% nicht 0,38.
Es scheint, dass der Mangel an Exoplaneten-Satelliten im Verhältnis zu den Jupiter-Satelliten ziemlich real ist. Die einfachste Erklärung: die Population großer Exoplaneten innerhalb von 1 AU. Das heißt, für Sterne der Sonnenklasse sind dies höchstwahrscheinlich Migranten aus weiter entfernten Regionen. Was wird mit Planetensatelliten während der Migration gemacht? Es ist möglich, dass sie an Stabilität verlieren.
Schließlich. Ein Team seriöser Wissenschaftler kämmte Keplers Daten nach Exoplaneten-Satelliten. Bedeutet dies, dass das Thema erschöpft ist und niemand in diesen Daten etwas Neues in Bezug auf Exoluns finden kann? Nichts dergleichen! Zunächst müssen alle Arbeiten zur Überprüfung wiederholt werden. Meine Freunde überprüften die Daten des WMAP-Mikrowellenteleskops, das bis auf die Löcher doppelt überprüft zu sein schien, und fanden offensichtliche Artefakte, die dann korrigiert werden mussten. Zweitens ist dies eine enorme Menge an Arbeit, die außerhalb der Macht eines Teams liegt. Deshalb möchte ich Freiwillige ermutigen: Die Daten sind offen, es wird nur graue Substanz benötigt, die in Russland noch verfügbar ist.
Boris Stern