À chaque conférence publique sur les exoplanètes, quelqu'un pose nécessairement une question sur les satellites d'exoplanètes. La question est si intéressante qu'elle mérite un article séparé.
Pour le moment, le nombre d'exoplanètes trouvées approche les six mille (y compris celles non confirmées). Combien de grands satellites devraient avoir ces planètes? En regardant notre système solaire, nous pouvons supposer qu'à peu près la même chose - nous avons sept satellites de la taille de la Lune et plus (Lune, Io, Europa, Ganymède, Callisto, Titan, Triton) pour huit planètes. Qu'en est-il des satellites des exoplanètes? Hélas, jusqu'à présent presque rien. Pourtant, les premiers résultats, encore vagues, commencent à apparaître.
Les satellites des planètes sont intéressants en ce que la vie y est possible, même si la planète est gigantesque et en elle-même n'est en aucun cas adaptée à la vie. Par exemple, pas mal de planètes géantes ont été trouvées dans la «zone habitable» (45 selon les données de 2014). S'ils ont des satellites assez grands, pourquoi la vie ne devrait-elle pas naître sur eux? Il devrait y avoir une vue magnifique: une planète géante dominant le ciel, visible de nuit comme de jour. Bien sûr, une telle image inspire les artistes, et dans une certaine mesure les chercheurs, travaillant avec les données de Kepler. Apparemment, ces données sont le seul endroit où un satellite exoplanète peut actuellement être découvert.
Pour commencer, quelques concepts utiles.
Le satellite d'une planète ne peut pas tourner autour d'elle à aucune distance. La taille de l'orbite est limitée par le haut par la soi-disant sphère de Hill, à l'extérieur de laquelle le satellite quitte le champ gravitationnel de la planète et devient un compagnon indépendant de l'étoile. Voici le rayon de cette sphère pour le cas le plus simple, lorsque l'orbite du satellite est circulaire: RH = a (m / 3M) 1/3, où a est le demi-grand axe de l'orbite de la planète, m est la masse de la planète, M est la masse de l'étoile. Pour la Terre, le rayon de la colline est d'environ 1,5 million de km. Un peu plus loin se trouvent les points de Lagrange L1 et L2, où sont sortis les télescopes spatiaux. Le rayon de Hill près de Neptune, un record dans le système solaire, est d'environ 100 millions de km. En réalité, en raison de divers facteurs perturbateurs, le rayon des orbites, qui sont stables à une échelle de milliards d'années, est plus petit - environ la moitié, voire un tiers du rayon de la colline.
La taille de l'orbite est également limitée par le bas: dans une orbite trop proche, le satellite est déchiré par la gravité de la planète et se transforme en une sorte d'anneaux de Saturne. Cette limite s'appelle la zone Roche, son essence: les forces de marée dépassent l'auto-gravité du satellite. La limite de Roche dépend de la rigidité de ce dernier: si un satellite peut se déformer comme un liquide, alors la limite de Roche est presque deux fois plus grande. Tous les satellites du système solaire sont en dehors de la limite «dure» de Roche, mais certains existent heureusement à l'intérieur de la limite «liquide», par exemple les cinq lunes les plus proches de Saturne.
Pour les Jupiters les plus chauds, le rayon de la sphère Hill est proche de la limite de Roche - ils ne peuvent certainement pas avoir de satellites. Mais il existe d'autres mécanismes d'instabilité des orbites des satellites qui opèrent au voisinage de l'étoile, de sorte que la probabilité de l'existence de satellites dans des planètes avec une période orbitale allant jusqu'à 10-20 jours pendant des milliards d'années est négligeable. C'est dommage, car il y a beaucoup d'exoplanètes de courte période parmi les exoplanètes découvertes, et dans les années à venir, elles domineront parmi les nouveaux arrivants. Et, plus important encore, les satellites des planètes à courte période seraient plus faciles à détecter s'ils étaient là.
Mais nous nous intéressons surtout aux satellites des planètes dans la "zone habitable". Là-bas, leurs orbites peuvent être stables pendant plusieurs milliards d'années - regardez la lune.
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Comment trouver un satellite exoplanète
Quelle peut être la taille des satellites planétaires? À en juger par le système solaire, le rapport typique de la masse totale des satellites et de la masse de la planète est de 1/10000. Cela est vrai pour le système Jupiter, Saturne (avec un léger excès dû à Titan) et Uranus. Neptune et Mars ont moins de satellites «natifs» (Triton n'est pas natif, c'est un objet capturé de la ceinture de Kuiper). Apparemment, un tel rapport est naturel lorsque les satellites sont formés à partir d'un disque poussiéreux autour de la planète. La lune est une conversation séparée, sa masse est de deux ordres de grandeur plus élevée que la masse typique des satellites, elle a été formée à la suite d'une collision catastrophique. Alors on est en droit de s'attendre à ce que la masse des satellites superjupiter avec 10 masses jupitériennes (et on en a trouvé beaucoup) sera de l'ordre de la masse de Mars. Un tel corps peut bien être perceptible pendant le transit d'une planète - d'abord, l'étoile est éclipsée par le satellite, puis la planète elle-même. L'effet du satellite sera cent fois moindre, mais avec de bonnes statistiques de transit (la planète traverse le disque de l'étoile plusieurs fois), il peut être détecté de manière plus ou moins fiable. Bien sûr, une planète capturée peut aussi être un satellite, dans ce cas, elle peut être beaucoup plus grande, mais presque personne ne peut dire quelle est la probabilité de trouver un objet capturé anormalement grand.
Une autre option est le temps de transit. Si le satellite est en avance sur la planète dans son orbite autour de l'étoile, le transit de la planète se produit un peu plus tard, s'il est en retard - un peu plus tôt. Par exemple, si tous les satellites de Jupiter sont assemblés en un et placés à la place de Ganymède, alors le déplacement de Jupiter sera de plus ou moins 100 km, ce qui s'exprime en un retard / avance des transits d'environ 7 s - 4 ordres de grandeur moins le temps de transit. Cela va bien au-delà de la précision des mesures. Le satellite doit être anormalement grand. En général, cette méthode est plus faible que la précédente.
Les satellites des planètes, en principe, ne peuvent pas être détectés par la méthode spectrométrique à partir de la vitesse radiale d'une étoile - ici tous les effets imaginables d'un satellite sont négligeables.
La méthode de microlentille gravitationnelle demeure, mais elle est basée sur une chance rare. Si l'étoile d'arrière-plan (pas l'étoile hôte, mais l'étoile distante en arrière-plan) passe exactement derrière la planète avec le satellite, un double pic apparaîtra dans la courbe de lumière de cette étoile.
Trois transits de la planète Kepler 1625b (il n'y en a que trois dans la base de données Kepler). La courbe de lumière de l'étoile Kepler 1625 est affichée. La ligne continue est - modèle ajusté avec un satellite de la taille de Neptune. La signification statistique du modèle - 4,1 σ. Si nous supprimons le troisième transit, la signification tombe à une valeur négligeable.
En général, la plus prometteuse est la première des méthodes énumérées - le transit par satellite. Cela nécessite un très large éventail d'observations. Un tel tableau existe, ce sont les données d'archives de Kepler, qui sont dans le domaine public. Kepler a travaillé sur le programme principal pendant un peu plus de quatre ans. Il ne suffit pas de détecter de manière fiable les transits de satellites dans la «zone de vie», mais les meilleures données n'existent pas. Pour le moment, il faut y chercher des traces de satellites, et il est fort possible qu'un satellite ait déjà été trouvé.
La recherche d'exoluns
Le premier indice de satellites a été trouvé près de la planète avec le "numéro de téléphone" 1SWASP J140747.93-394542.6 b. C'est une planète géante avec une masse de 20 Jupiter - au bord d'une naine brune1. Les transits ont montré qu'il avait un énorme système d'anneaux, que les anneaux avaient des espaces et que les satellites devraient s'asseoir dans les espaces - ils mangent ces espaces. C'est tout. Il n'y a pas d'autres informations sur ces satellites.
Un autre satellite a été trouvé par microlentille sur une planète orpheline volant librement dans l'espace. Il est difficile de dire quelque chose sur la masse de la planète et du satellite - il peut s'agir d'une naine brune avec un "neptune" en orbite autour d'elle. Ce cas n'est pas si intéressant.
En 2012, les astronomes de l'Observatoire Pulkovo ont annoncé la découverte possible d'un satellite près de l'exoplanète WASP 12b. C'est un Jupiter très chaud en orbite autour d'une étoile de classe Soleil en une journée. Lors du transit de la planète, des éclats de luminosité ont été observés, qui, selon les auteurs des observations, peuvent être interprétés comme le passage de la planète à travers des taches stellaires ou comme un satellite de la planète, fusionnant périodiquement avec son disque. La deuxième interprétation a suscité une réponse notable dans la presse russe, mais elle n'est tout simplement pas physique: la sphère Hill de cette planète coïncide pratiquement avec la zone Roche. Il ne peut y avoir de satellite là-bas.
Pour rechercher des exoons dans les données Kepler, le projet HEK (Hunt for Exomoons with Kepler) a été organisé. L'équipe du projet a bien secoué les données et semble en avoir tiré des informations utiles. C'est vrai, pas très optimiste. Les résultats ci-dessous ont été publiés en octobre 2017 dans un article2.
D'une part, une indication du satellite de la planète Kepler 1625 b a été trouvée. La signification statistique est d'environ 4 σ, ce qui est plutôt faible compte tenu du grand nombre d'exoplanètes étudiées. Pire, dans la même étude, un "antisatellite" a été trouvé près d'une planète d'une des étoiles, c'est-à-dire un signal de signe opposé avec la même signification de 4 σ. Il est clair que ce signal est faux, car il n'y a pas de phénomène naturel imitant le "anti-satellite". De plus, la planète n'a eu que trois transits, et un seul d'entre eux est suffisamment convaincant. Si l'effet est confirmé, il s'agira d'un satellite de la taille de Neptune pour une planète d'une masse d'au moins 10 masses Jupiter (la masse est estimée à partir de l'orbite du prétendu satellite), qui correspond à la planète capturée. Le satellite avec la planète est dans la "zone de vie": le chauffage est exactement le même que celui de la Terre. L'orbite de la planète putative est stable - profondément dans la sphère de Hill et bien au-delà de la limite de Roche. Les auteurs n'insistent pas sur la découverte et ont ordonné l'observation de Kepler 1625 par le télescope Hubble pour les 28 et 29 octobre 2017 - moment du prochain transit. Elle a eu lieu. Il n'y a pas d'information publiée, à l'exception d'un résumé de la conférence avec un résumé «les résultats préliminaires des observations sont rapportés». Cela signifie très probablement que l'observation n'a pas donné un résultat sans ambiguïté.que l'observation n'a pas donné un résultat sans ambiguïté.que l'observation n'a pas donné un résultat sans ambiguïté.
Un autre résultat décevant vient de l'addition des transits de nombreuses planètes à partir de la base de données Kepler. Les auteurs ont sélectionné plus de trois cents exoplanètes, qui, de leur point de vue, sont les plus prometteuses pour la recherche de satellites. Les critères incluent une orbite entre 1 et 0,1 UA et une bonne qualité des données. Comme effet recherché, l'obscurcissement de l'étoile de l'analogue des satellites galiléens de la planète, c'est-à-dire les analogues des satellites galiléens de Jupiter mis à l'échelle par la taille de la planète, a été révélé. Dans ce cas, la somme des courbes de lumière pour tous les transits de toutes les planètes de l'échantillon a été prise.
Hélas, le signal positif ne dépasse pas 2 σ, et le résultat met une limite supérieure scientifiquement significative à l'abondance des grands satellites. La proportion de planètes avec un analogue des satellites galiléens ne dépasse pas 0,38 au niveau de confiance de 95%.
Il semble que la pénurie de satellites exoplanètes par rapport aux satellites de Jupiter soit bien réelle. L'explication la plus simple: la population de grandes exoplanètes dans 1 UA. Autrement dit, pour les étoiles de la classe du Soleil, il s'agit probablement de migrants de régions plus éloignées. Que fait-on des satellites planétaires pendant la migration? Il est possible qu'ils perdent leur stabilité.
Finalement. Une équipe de scientifiques sérieux a passé au peigne fin les données de Kepler pour les satellites d'exoplanètes. Cela signifie-t-il que le sujet a été épuisé et que personne ne trouve quelque chose de nouveau dans ces données concernant les exoluns? Rien de tel! Tout d'abord, tout travail doit être répété pour vérification. Mes amis ont revérifié les données du télescope à micro-ondes WMAP, qui semblaient avoir été revérifiées jusqu'aux trous, et ont trouvé des artefacts évidents, qui ont ensuite dû être corrigés. Deuxièmement, il s'agit d'une énorme quantité de travail qui dépasse la puissance d'une seule équipe. Par conséquent, je voudrais encourager les volontaires: les données sont ouvertes, seule la matière grise est nécessaire, qui est toujours disponible en Russie.
Boris Stern