Em todas as palestras públicas sobre exoplanetas, alguém necessariamente faz uma pergunta sobre satélites exoplanetas. A questão é tão interessante que merece um artigo separado.
No momento, o número de exoplanetas encontrados se aproxima de seis mil (incluindo os não confirmados). Quantos satélites grandes esses planetas devem ter? Olhando para o nosso sistema solar, podemos assumir que quase o mesmo - temos sete satélites do tamanho da lua e maiores para oito planetas (Lua, Io, Europa, Ganimedes, Calisto, Titã, Tritão). E os satélites de exoplanetas? Infelizmente, até agora quase nada. No entanto, os primeiros resultados, ainda vagos, estão começando a surgir.
Os satélites dos planetas são interessantes porque a vida é possível neles, mesmo que o planeta seja gigantesco e não esteja de forma alguma adaptado para a vida. Por exemplo, alguns planetas gigantes foram encontrados na "zona habitável" (45 de acordo com dados de 2014). Se eles têm satélites grandes o suficiente, por que a vida não deveria surgir neles? Deveria haver uma vista maravilhosa: um planeta gigante dominando o céu, visível tanto de dia quanto de noite. É claro que tal quadro inspira artistas e, até certo ponto, pesquisadores, a trabalhar com os dados de Kepler. Aparentemente, esses dados são o único lugar onde um satélite exoplaneta pode ser descoberto atualmente.
Para começar, alguns conceitos úteis.
O satélite de um planeta não pode girar em torno dele a qualquer distância. O tamanho da órbita é limitado de cima pela chamada esfera de Hill, fora da qual o satélite deixa o campo gravitacional do planeta e se torna um companheiro independente da estrela. Aqui está o raio desta esfera para o caso mais simples, quando a órbita do satélite é circular: RH = a (m / 3M) 1/3, onde a é o semi-eixo maior da órbita do planeta, m é a massa do planeta, M é a massa da estrela. Para a Terra, o raio da colina é de cerca de 1,5 milhão de km. Um pouco mais longe estão os pontos de Lagrange L1 e L2, onde os telescópios espaciais são retirados. O raio de Hill próximo a Netuno, um recorde no sistema solar, é de cerca de 100 milhões de km. Na realidade, devido a vários fatores perturbadores, o raio das órbitas, que são estáveis em uma escala de bilhões de anos, é menor - cerca de metade ou até um terço do raio do Monte.
O tamanho da órbita também é limitado por baixo: em uma órbita muito próxima, o satélite é dilacerado pela gravidade do planeta e se transforma em uma espécie de anéis de Saturno. Esse limite é chamado de zona Roche, sua essência: as forças das marés excedem a autogravidade do satélite. O limite de Roche depende da rigidez deste último: se um satélite pode deformar-se como um líquido, o limite de Roche é quase duas vezes maior. Todos os satélites do sistema solar estão fora do limite "rígido" de Roche, mas alguns felizmente existem dentro do limite "líquido", por exemplo, os cinco satélites mais próximos de Saturno.
Para os Júpiteres mais quentes, o raio da esfera Hill está próximo do limite de Roche - eles certamente não podem ter satélites. Mas existem outros mecanismos para a instabilidade das órbitas dos satélites que operam nas proximidades da estrela, de forma que a probabilidade de existência de satélites em planetas com um período orbital de até 10-20 dias por bilhões de anos é desprezível. É uma pena, já que há muitos exoplanetas de curto período entre os exoplanetas descobertos e, nos próximos anos, eles dominarão os recém-chegados. E, o mais importante, os satélites de planetas de curto período seriam mais fáceis de detectar se estivessem lá.
Mas estamos mais interessados nos satélites dos planetas na "zona habitável". Lá, suas órbitas podem ser estáveis por muitos bilhões de anos - olhe para a lua.
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Como encontrar um satélite exoplaneta
Qual o tamanho dos satélites planetários? A julgar pelo sistema solar, a proporção típica entre a massa total dos satélites e a massa do planeta é 1/10000. Isso é verdade para o sistema de Júpiter, Saturno (com um leve excesso devido a Titã) e Urano. Netuno e Marte têm menos satélites "nativos" (Tritão não é nativo, é um objeto capturado do cinturão de Kuiper). Aparentemente, essa proporção é natural quando os satélites são formados a partir de um disco empoeirado ao redor do planeta. A lua é uma conversa separada, sua massa é duas ordens de magnitude maior do que a massa típica dos satélites, ela foi formada como resultado de uma colisão catastrófica. Então, temos o direito de esperar que a massa dos satélites superjúpiter com 10 massas jupiterianas (e há muitos que foram encontrados) será da ordem da massa de Marte. Tal corpo pode muito bem ser perceptível durante o trânsito de um planeta - primeiro, a estrela é eclipsada pelo satélite, depois o próprio planeta. O efeito do satélite será cem vezes menor, mas com boas estatísticas de trânsito (o planeta cruza o disco da estrela muitas vezes), pode ser detectado de forma mais ou menos confiável. Claro, um planeta capturado também pode ser um satélite, neste caso pode ser significativamente maior, mas quase ninguém é capaz de dizer qual é a probabilidade de encontrar um objeto capturado anormalmente grande.
Outra opção é o tempo de trânsito. Se o satélite está à frente do planeta em sua órbita ao redor da estrela, o trânsito do planeta ocorre um pouco mais tarde, se ficar para trás - um pouco antes. Por exemplo, se todos os satélites de Júpiter forem montados em um e colocados no lugar de Ganimedes, então o deslocamento de Júpiter será de mais ou menos 100 km, que é expresso em um atraso / avanço dos trânsitos de cerca de 7 s - 4 ordens de magnitude menos o tempo de trânsito. Isso está muito além da precisão da medição. O satélite deve ser anormalmente grande. Em geral, esse método é mais fraco que o anterior.
Satélites de planetas, em princípio, não podem ser detectados pelo método espectrométrico da velocidade radial de uma estrela - aqui, todos os efeitos concebíveis de um satélite são desprezíveis.
O método de microlente gravitacional permanece, mas é baseado em rara sorte. Se a estrela de fundo (não a estrela hospedeira, mas a distante no fundo) passar exatamente atrás do planeta com o satélite, um pico duplo aparecerá na curva de luz desta estrela.
Três trânsitos do planeta Kepler 1625b (há apenas três no banco de dados Kepler). É mostrada a curva de luz da estrela Kepler 1625. A linha sólida é - modelo adequado com um satélite do tamanho de Netuno. A significância estatística do modelo - 4,1 σ. Se removermos o terceiro trânsito, a significância cai para um valor insignificante.
Em geral, o mais promissor é o primeiro dos métodos listados - trânsito por satélite. Requer uma grande variedade de observações. Essa matriz existe, são os dados de arquivo do Kepler, que são de domínio público. Kepler trabalhou no programa principal por pouco mais de quatro anos. Não é suficiente detectar trânsitos de satélites com segurança na "zona da vida", mas os melhores dados não existem. Neste momento, devem ser procurados aqui vestígios de satélites e é bem possível que já tenha sido encontrado um satélite.
A busca por exoluns
O primeiro indício de satélites foi encontrado próximo ao planeta com o "número de telefone" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. É um planeta gigante com uma massa de 20 Júpiter - à beira de uma anã marrom1. Trânsitos mostraram que ele tem um enorme sistema de anéis, os anéis têm lacunas e os satélites deveriam ficar nas lacunas - eles comem essas lacunas. É tudo. Não há outras informações sobre esses satélites.
Outro satélite foi encontrado por microlente em um planeta órfão voando livremente no espaço. É difícil dizer algo sobre a massa do planeta e do satélite - pode ser uma anã marrom com um "Netuno" orbitando ao seu redor. Este caso não é tão interessante.
Em 2012, astrônomos do Observatório Pulkovo anunciaram a possível descoberta de um satélite perto do exoplaneta WASP 12b. É um Júpiter muito quente orbitando uma estrela da classe solar em um dia. Durante o trânsito do planeta, foram observadas rajadas de brilho, que, segundo os autores das observações, podem ser interpretadas como a passagem do planeta por manchas estelares ou como um satélite do planeta, periodicamente fundindo-se com seu disco. A segunda interpretação causou uma resposta notável na imprensa russa, mas simplesmente não é física: a esfera de Hill para este planeta praticamente coincide com a zona de Roche. Não pode haver satélite lá.
Para pesquisar exoons nos dados do Kepler, o projeto HEK (Hunt for Exomoons with Kepler) foi organizado. A equipe do projeto alterou bem os dados e parece ter extraído algumas informações úteis de lá. Verdade, não muito otimista. Os resultados abaixo foram publicados em outubro de 2017 em um artigo2.
Por um lado, foi encontrada uma indicação do satélite do planeta Kepler 1625 b. A significância estatística é de cerca de 4 σ, o que é bastante pequeno, dado o grande número de exoplanetas estudados. Pior ainda, no mesmo estudo, um "antissatélite" foi encontrado próximo a um planeta de uma das estrelas, ou seja, um sinal de sinal oposto com o mesmo significado de 4 σ. É claro que este sinal é falso, uma vez que não existem fenômenos naturais que imitem o "anti-satélite". Além disso, o planeta teve apenas três trânsitos, e apenas um deles é convincente o suficiente. Se o efeito for confirmado, será um satélite do tamanho de Netuno para um planeta com massa de pelo menos 10 massas de Júpiter (a massa é estimada a partir da órbita do suposto satélite), que corresponde ao planeta capturado. O satélite com o planeta está na "zona da vida": o aquecimento é exatamente igual ao da Terra. A órbita do planeta putativo é estável - nas profundezas da esfera Hill e muito além do limite de Roche. Os autores não insistem na descoberta e ordenaram a observação do Kepler 1625 pelo telescópio Hubble para os dias 28 e 29 de outubro de 2017 - época do próximo trânsito. Aconteceu. Não há informações publicadas, exceto para um resumo da conferência com um resumo “resultados preliminares das observações estão sendo relatados”. Isso provavelmente significa que a observação não deu um resultado inequívoco.que a observação não deu um resultado inequívoco.que a observação não deu um resultado inequívoco.
Outro resultado decepcionante vem da soma dos trânsitos de muitos planetas do banco de dados Kepler. Os autores selecionaram mais de trezentos exoplanetas, que, do seu ponto de vista, são os mais promissores para a busca de satélites. Os critérios incluem uma órbita entre 1 e 0,1 UA e boa qualidade de dados. Como efeito desejado, foi revelado o escurecimento da estrela do análogo dos satélites galileus do planeta, ou seja, os análogos dos satélites galileus de Júpiter dimensionados pelo tamanho do planeta. Nesse caso, foi feita a soma das curvas de luz para todos os trânsitos de todos os planetas da amostra.
Infelizmente, o sinal positivo não excede 2 σ, e o resultado coloca um limite superior cientificamente significativo na abundância de grandes satélites. A proporção de planetas com um análogo dos satélites galileanos não excede 0,38 no nível de confiança de 95%.
Parece que a escassez de satélites exoplaneta em relação aos satélites de Júpiter é bastante real. A explicação mais simples: a população de grandes exoplanetas em 1 UA. Ou seja, para estrelas da classe do Sol, são provavelmente migrantes de regiões mais distantes. O que é feito com os satélites planetários durante a migração? É possível que estejam perdendo estabilidade.
Finalmente. Uma equipe de cientistas sérios vasculhou os dados de Kepler em busca de satélites exoplaneta. Isso significa que o assunto se esgotou e não brilha para ninguém descobrir nada de novo nesses dados sobre exoluns? Nada assim! Primeiro, qualquer trabalho deve ser repetido para verificação. Meus amigos checaram novamente os dados do telescópio de microondas WMAP, que pareciam ter sido checados novamente para os orifícios, e encontraram artefatos óbvios, que então tiveram que ser corrigidos. Em segundo lugar, é uma enorme quantidade de trabalho que está além do poder de uma equipe. Portanto, gostaria de encorajar os voluntários: os dados são abertos, apenas a massa cinzenta é necessária, que ainda está disponível na Rússia.
Boris Stern
