Введение
Экзолуна, или экзопланетный спутник, — это естественный спутник, обращающийся вокруг экзопланеты или другого незвездного объекта за пределами Солнечной системы. Обнаружить и подтвердить существование экзолун современными методами сложно, однако наблюдения, полученные в ходе миссий, таких как «Кеплер», выявили ряд кандидатов. Два потенциальных экзолуна, обращающихся вокруг планет-изгоев, также были обнаружены методом гравитационного микролинзирования. В сентябре 2019 года астрономы предположили, что наблюдаемые затемнения звезды Табби могут быть вызваны фрагментами, образовавшимися в результате разрушения экзолуны, оставшейся без родительской планеты. Некоторые экзолуны могут представлять собой потенциальные среды обитания для внеземной жизни. Определение Международного астрономического союза (МАС) не регулирует правила наименования спутников свободно плавающих объектов, масса которых меньше, чем у коричневых карликов и ниже предела дейтериевого синтеза (эти объекты обычно называют свободно плавающими планетами, планетами-изгоями, маломассивными коричневыми карликами или изолированными планетарными объектами). Спутники этих объектов в научной литературе обычно называют экзолунами. Обозначение экзолуны формируется на основе обозначения её родительского тела с добавлением заглавной римской цифры; таким образом, Kepler-1625b обращается вокруг Kepler-1625 (что является синонимом Kepler-1625a) и, в свою очередь, имеет спутник Kepler-1625b I (существование Kepler-1625b II и субспутников у I не подтверждено).
An exomoon or extrasolar moon is a natural satellite that orbits an exoplanet or other non stellar extrasolar body. Exomoons are difficult to detect and confirm using current techniques, However, observations from missions such as Kepler have observed a number of candidates. Two potential exomoons that may orbit rogue planets have also been detected by microlensing. In September 2019, astronomers reported that the observed dimmings of Tabby's Star may have been produced by fragments resulting from the disruption of an orphaned exomoon. Some exomoons may be potential habitats for extraterrestrial life. The IAU definition does not address the naming convention for the satellites of free floating objects that are less massive than brown dwarfs and below the deuterium limit (the objects are typically referred to as free floating planets, rogue planets, low mass brown dwarfs or isolated planetary mass objects). The satellites of these objects are typically referred to as exomoons in the literature. Exomoons take their designation from that of their parent body plus a capital Roman numeral; thus, Kepler 1625b orbits Kepler 1625 (synonymous with Kepler 1625a) and is itself orbited by Kepler 1625b I (no Kepler 1625b II is known, nor is I known to have a submoon).
Характеристики
Характеристики любого экзопланетного спутника, вероятно, будут различаться, как и у лун Солнечной системы. Для экзопланет-гигантов, обращающихся вокруг звезды в пределах обитаемой зоны, существует вероятность того, что спутник размером с земную планету может быть способен поддерживать жизнь. В августе 2019 года астрономы сообщили о возможной вулканической активности экзолуны в системе экзопланеты WASP-49b.
Наклон орбиты
Для лун, образовавшихся в результате столкновений вокруг землеподобных планет, не слишком удалённых от своей звезды, и при большом расстоянии между планетой и луной, ожидается, что орбитальные плоскости лун будут стремиться к выравниванию с орбитой планеты вокруг звезды из-за приливных сил звезды, однако при небольшом расстоянии между планетой и луной орбиты могут быть наклонены. Для газовых гигантов орбиты лун, как правило, будут выравниваться с экватором гигантской планеты, поскольку они формировались в околопланетных дисках.
Отсутствие спутников вокруг планет, близких к их звездам
Планеты, находящиеся близко к своим звёздам на круговых орбитах, будут стремиться к замедлению вращения и приливному захвату. По мере замедления вращения планеты радиус синхронной орбиты планеты отодвигается от неё. Для планет, находящихся в приливном захвате у своих звёзд, расстояние от планеты, на котором луна будет находиться на синхронной орбите вокруг планеты, оказывается за пределами сферы Хилла планеты. Сфера Хилла – это область, где гравитация планеты преобладает над гравитацией звезды, позволяя ей удерживать свои спутники. Луны, находящиеся внутри радиуса синхронной орбиты планеты, будут спирально падать на планету. Следовательно, если синхронная орбита находится за пределами сферы Хилла, то все луны спирально упадут на планету. Если синхронная орбита неустойчива в трёхтельном взаимодействии, то луны за пределами этого радиуса покинут орбиту до достижения синхронной орбиты.
Прямая визуализация
Прямая съемка экзопланеты — чрезвычайно сложная задача из-за огромной разницы в яркости между звездой и экзопланетой, а также малого размера и освещенности планеты. Эти проблемы обычно еще более выражены для экзолун. Однако существует теория, согласно которой экзолуны, нагреваемые приливными силами, могут светить так же ярко, как некоторые экзопланеты. Приливные силы нагревают экзолуну за счет рассеяния энергии, возникающего из-за неравномерного воздействия сил на нее. Ио, луна, вращающаяся вокруг Юпитера, является примером: ее вулканическая активность обусловлена приливным нагревом. Если экзолуна, нагретая приливными силами, получает достаточно энергии от приливного нагрева и находится на достаточном расстоянии от своей звезды, чтобы ее свет не терялся в звездном свете, то ее изображение может быть получено с помощью телескопа, например, космического телескопа Джеймса Уэбба.
Допплеровская спектроскопия планеты-хозяина
Допплеровская спектроскопия — это метод косвенного обнаружения, измеряющий сдвиг скорости и, как следствие, смещение звездного спектра, вызванное вращением планеты вокруг звезды. Этот метод также известен как метод радиальных скоростей. Он наиболее эффективен для звезд главной последовательности. Спектры экзопланет были успешно частично получены в нескольких случаях, в том числе для HD 189733 b и HD 209458 b. Качество полученных спектров значительно сильнее подвержено влиянию шума, чем звездный спектр. В результате спектральное разрешение и количество извлеченных спектральных признаков значительно ниже уровня, необходимого для проведения допплеровской спектроскопии экзопланеты.
Излучение радиоволн из магнитосферы планеты-хозяина
Во время своего обращения ионосфера Ио взаимодействует с магнитосферой Юпитера, создавая ток трения, который вызывает радиоизлучение. Эти излучения называются "декаметровыми излучениями, контролируемыми Ио", и исследователи полагают, что обнаружение подобных излучений вблизи известных экзопланет может стать ключом к предсказанию существования других спутников.
Микролинзирование
В 2002 году Чонхо Хан и Воньонг Хан предложили использовать микролинзирование для обнаружения экзолун. Авторы пришли к выводу, что обнаружение сигналов спутников в кривых блеска при линзировании будет крайне затруднительным, поскольку эти сигналы сильно размываются из-за выраженного эффекта конечных размеров источника даже для событий, связанных со звездами-источниками с малым угловым радиусом.
Время пульсара
В 2008 году Льюис, Саккет и Мардлинг из Университета Монаш в Австралии предложили использовать тайминг пульсаров для обнаружения спутников планет, обращающихся вокруг пульсаров. Авторы применили свой метод к PSR B1620-26 b и показали, что стабильный спутник, обращающийся вокруг этой планеты, может быть обнаружен, если его расстояние до планеты составляет примерно одну пятидесятую орбиты планеты вокруг пульсара, а отношение его массы к массе планеты составляет 5% или более.
Эффекты времени транзита
В 2007 году физики А. Саймон, К. Сатмари и Д. М. Сабо опубликовали исследовательскую записку под названием «Определение размера, массы и плотности «экзолун» по вариациям времени фотометрического транзита». В 2009 году Дэвид Киппинг опубликовал статью, в которой описал, как, комбинируя множественные наблюдения за изменениями времени середины транзита (TTV, вызванными тем, что планета опережает или отстает от барицентра системы планета-луна, когда пара ориентирована примерно перпендикулярно линии визирования) с изменениями длительности транзита (TDV, вызванными движением планеты вдоль направления транзита относительно барицентра системы планета-луна, когда ось планета-луна ориентирована примерно вдоль линии визирования), можно получить уникальную сигнатуру экзолуны. Кроме того, в работе было показано, как можно определить массу экзолуны и ее орбитальное расстояние от планеты, используя эти два эффекта. В более позднем исследовании Киппинг заключил, что экзолуны в обитаемой зоне могут быть обнаружены космическим телескопом «Кеплер» с помощью эффектов TTV и TDV.
Метод транзита (системы звезда-планета-луна)
Когда экзопланета проходит перед своей звездой, можно заметить небольшое уменьшение яркости света, приходящего от звезды. Метод транзитов в настоящее время является наиболее успешным и эффективным способом обнаружения экзопланет. Этот эффект, также известный как оккультация, пропорционален квадрату радиуса планеты. Если планета и её спутник проходят перед звездой, оба объекта должны вызывать понижение наблюдаемой яркости. Во время транзита также может произойти затмение планеты или спутника, но вероятность таких событий изначально невелика.
Метод транзита (системы планета-луна)
Если планета-хозяин получена прямым изображением, то можно наблюдать транзиты экзолун. Когда экзолуна проходит перед планетой-хозяином, может быть зафиксировано небольшое уменьшение яркости света, приходящего от планеты, полученной прямым изображением.
Косвенное обнаружение около белых карликов
Атмосфера белых карликов может быть загрязнена металлами, и в некоторых случаях белые карлики окружены диском обломков. Обычно это загрязнение вызвано астероидами или кометами, но в прошлом в качестве источника загрязнения белых карликов также предлагались разрушенные приливными силами экзолуны. В 2021 году Клейн и его коллеги обнаружили, что белые карлики GD 378 и GALEXJ2339 имеют необычно высокое содержание бериллия. Исследователи пришли к выводу, что атомы кислорода, углерода или азота должны были подвергнуться столкновениям с протонами с энергией в мегаэлектронвольтах (МэВ), чтобы создать этот избыток бериллия. В одном из предложенных сценариев избыток бериллия вызван приливным разрушением экзолуны. В этом сценарии вокруг гигантской планеты, вращающейся вокруг белого карлика, существует лунный диск, состоящий из льда. Сильное магнитное поле такой гигантской планеты ускоряет частицы звездного ветра, такие как протоны, и направляет их в диск. Ускоренные протоны сталкиваются с водяным льдом в диске, создавая элементы, такие как бериллий, бор и литий, в результате реакции спалляции. Эти три элемента относительно редки во Вселенной, поскольку они разрушаются в процессе звездного синтеза. Лунный объект, формирующийся в таком диске, будет иметь более высокое содержание бериллия, бора и лития. Исследование также предсказало, что спутники Сатурна среднего размера, например, Мимас, должны быть обогащены бериллием, бором и литием.
Проекты по выявлению
В настоящее время реализуется несколько миссий, использующих некоторые из описанных выше методов, которые позволят обнаружить еще больше кандидатов в экзолуны и подтвердить или опровергнуть существование некоторых из них. Например, запуск миссии PLATO запланирован на 2026 год. В рамках миссии "Кеплер" проект "Охота за экзолунами с помощью Кеплера" (HEK) был направлен на обнаружение экзолун и выявил ряд кандидатов, которые до сих пор находятся в стадии обсуждения.
Обитаемость
Житоспособность экзолун была рассмотрена как минимум в двух исследованиях, опубликованных в рецензируемых журналах. Рене Хеллер и Рори Барнс рассмотрели звездную и планетарную освещенность лун, а также влияние затмений на среднюю освещенность их поверхности. Они также учли приливный нагрев как угрозу их обитаемости. В разделе 4 своей статьи они вводят новую концепцию для определения обитаемых орбит лун. Опираясь на концепцию циркумзвездной обитаемой зоны для планет, они определяют внутреннюю границу обитаемости луны вокруг определенной планеты, называя ее циркумпланетным "обитаемым краем". Луны, находящиеся ближе к своей планете, чем к обитаемому краю, являются необитаемыми. Во втором исследовании Рене Хеллер включил в эту концепцию эффект затмений, а также ограничения, связанные с орбитальной стабильностью спутника. Он обнаружил, что в зависимости от эксцентриситета орбиты луны существует минимальная масса звезды, необходимая для поддержания обитаемых лун, примерно равная 0,2 солнечной массы. В качестве примера можно привести небольшую Европу, масса которой составляет менее 1% от массы Земли. Лехмер и др. показали, что если бы она оказалась на орбите Земли, она смогла бы удерживать свою атмосферу лишь в течение нескольких миллионов лет. Однако для более крупных лун, сопоставимых по размеру с Ганимедом, находящихся в обитаемой зоне своей солнечной системы, атмосфера и поверхностная вода могут сохраняться неограниченно долго. Модели формирования лун предполагают, что образование еще более массивных лун, чем Ганимед, является обычным явлением вокруг многих супер-юпитеров. Экзопланеты размером с Землю, находящиеся в обитаемой зоне вокруг звезд типа М, часто оказываются приливно зафиксированы своей звездой-хозяином. Это приводит к тому, что одно полушарие всегда обращено к звезде, а другое остается в темноте. Экзолуна в системе звезды типа М не сталкивается с этой проблемой, поскольку она приливно зафиксирована планетой и получает свет на оба полушария. Мартинес Родригес и др. исследовали возможность существования экзолун вокруг планет, вращающихся вокруг звезд типа М в обитаемой зоне. Они обнаружили 33 экзопланеты из предыдущих исследований, находящиеся в обитаемой зоне, но только четыре могли бы поддерживать экзолуны с массой от Луны до Титана в течение времени, превышающего 0,8 млрд лет (HIP 12961 b, HIP 57050 b, Gliese 876 b и c). В этом диапазоне масс экзолуны, вероятно, не смогут удержать свою атмосферу. Исследователи увеличили массу экзолун и обнаружили, что экзолуны с массой Марса вокруг IL Aquarii b и c могут быть стабильными в течение времени, превышающего время Хаббла. Миссия CHEOPS может обнаружить экзолуны вокруг самых ярких звезд типа М, а ESPRESSO может обнаружить эффект Росситера-МакЛофлина, вызванный экзолунами. Оба метода требуют транзита экзопланеты, что не относится к этим четырем кандидатам. Как и экзопланета, экзолуна потенциально может быть приливно зафиксирована своим основным телом. Однако, поскольку основным телом экзолуны является экзопланета, она будет продолжать вращаться относительно своей звезды после приливной фиксации и, следовательно, будет по-прежнему испытывать цикл дня и ночи бесконечно. Возможный кандидат в экзолуны, проходящий транзит через 2MASS J1119 1137AB, находится в обитаемой зоне своей звезды-хозяина (по крайней мере, первоначально, пока планета не остынет), но маловероятно, что там сформировалась сложная жизнь, поскольку системе всего 10 млн лет. Если это подтвердится, экзолуна может быть похожа на первобытную Землю, и характеристика ее атмосферы с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, возможно, позволит установить ограничения на временные рамки формирования жизни.