Спутники экзопланет

С одной стороны, экзопланеты начали открывать совсем недавно. Это такая живая наука. Только в начале 1990-х годов появились первые экзопланеты. С другой стороны, создается такое ощущение, что все-таки прошло уже больше 20 лет и это уже такая устоявшаяся область, уже есть тысячи открытых экзопланет. Что еще там есть интересного? У планет есть спутники, и, конечно, хочется открывать спутники экзопланет. По-английски их называют exomoons, поэтому я их буду называть экзолунами. Действительно, это важная и интересная задача. С другой стороны, спутники, конечно же, меньше планет, поэтому технически сделать это достаточно сложно.

Тем не менее наука об экзолунах потихоньку начинает развиваться — пока в основном как теоретическое исследование или какие-то неудачные попытки их найти. Но говорить об этом уже можно, уже стоит, потому что уже достаточно много известно, хотя бы благодаря теоретическим исследованиям.

Итак, спутники планет. Во-первых, как спутники можно образовать. Основных путей, безусловно, два. Образуется планета, вокруг нее есть протопланетный диск, в нем можно образовывать спутники. То есть в некотором смысле и с некоторыми существенными упрощениями так же, как планеты образуются вокруг звезды, можно спутники образовывать вокруг планет. Второй способ — это захватить спутник. Когда образуется какая-нибудь планетная система, в протопланетном диске образуется большое количество объектов разной массы — и большие, и маленькие, и большие объекты могут захватывать более мелкие. Таким образом, есть два основных способа образовать спутники.

Нас будут интересовать не всякие спутники, а нас будут интересовать спутники большие. По какой причине? Первая причина совсем банальная: их проще открыть. Если мы хотим открыть спутник у какой-нибудь планеты, которая сама не видна и находится в десятках, если не в сотнях, световых лет от нас, то, конечно, проще обнаружить большой спутник. Вторая вещь, которая нас будет интересовать, — это потенциальная обитаемость спутников. Вообще во всей истории про экзопланеты, конечно, вопрос существования жизни на них является если не ключевым, то по крайней мере самым забавным и интересующим широкую публику. В вопросе о спутниках экзопланет ситуация примерно такова: можно говорить о потенциальной обитаемости спутников экзопланет, и здесь опять-таки, конечно, мы ожидаем, что жизнь может появиться на достаточно крупных объектах, поэтому мы будем говорить о больших спутниках. В среднем, если мы хотим искать большие спутники, скорее, их нужно искать около больших планет.

Причины довольно просты. Если мы говорим о спутниках, которые образовались прямо вокруг планет, то, конечно, большая планета, больше лишнего вещества вокруг, больше вероятность того, что в этом диске вокруг планеты образуются дополнительные тела, которые станут ее спутниками. Если мы говорим о захвате спутников, тяжелой планете проще захватить тяжелый спутник. Есть некая экзотика, как можно этого избежать, — это как образовалась наша Луна. Современные гипотезы говорят о том, что Луна образовалась в результате столкновения массивного тела с Землей, поэтому образовалась такая нетипичная пара: Луна всего лишь в восемьдесят с лишним раз легче Земли. Это необычно. Скажем, у Юпитера есть спутники такого же размера, как Луна. Но сам Юпитер значительно массивнее и больше Земли. Наоборот, у планет вроде Земли мы не ожидаем таких массивных спутников, как Луна. Если только не реализовался этот редкий процесс такого ударного образования спутника, наверное, о нем в дальнейшем говорить особенно не будем.

Итак, если мы не хотим какой-то экзотики, то, скорее всего, большие спутники будут у массивных планет. Люди активно моделируют процесс появления массивных спутников у массивных планет. Во-первых, это просто моделирование образования планеты в протопланетном диске, и можно в численном эксперименте отслеживать, как вокруг образуются спутники. Расчеты показывают, что можно создавать тяжелые спутники, и «тяжелые» означает, что в 10 раз легче Земли. В 10 раз легче Земли — это примерно масса Марса. То есть мы можем ожидать, что спутники размером с Марс — это не какое-то уникальное явление, а, действительно, вокруг больших планет (они больше Юпитера, в несколько раз, может быть, больше Юпитера) такие спутники будут довольно естественным явлением. Мы можем ожидать, что они существуют.

Захват спутника. В принципе, если просто спутник пролетает около планеты, захватить его довольно сложно. Но спутники могут летать парами, и если мимо планеты пролетает пара объектов, то можно разрушить пару. Как правило, более легкий объект выбрасывается и уносит лишнюю энергию, а более тяжелый объект из этой пары остается у планеты как ее массивный спутник. Такой процесс тоже активно моделировался, и расчеты также показывают, что таким способом массивные планеты могут довольно эффективно захватывать тяжелые спутники, опять же с массой примерно как у Марса. Приятная вещь, которая нам пригодится, когда мы начнем говорить об обитаемости спутников, — это то, что такой процесс в принципе достаточно вероятен как раз в зонах обитаемости, и, наоборот, если мы говорим о горячих юпитерах, которые образовались где-то далеко от звезды, а потом мигрировали по диску к звезде, то, скорее всего, спутники потеряются в процессе такой миграции, поэтому ожидать большого количества спутников у горячих юпитеров не стоит, ну и бог с ними, потому что обитаемыми они, конечно, быть не могут. Горячие юпитеры находятся слишком далеко от своих звезд, чтобы на спутниках могла существовать какая-то жизнь.

Итак, спутники планет должны быть достаточно естественным явлением. Как их можно открыть? В принципе, способы открытия спутников похожи на способы открытия планет. И вообще говоря, практически все способы, которые можно задействовать для планет, можно распространить и на спутники, вплоть, например, до открытия спутников методом микролинзирования. Можно, наблюдая далекую звезду, обнаружить какую-нибудь звезду, которая сама не видна из-за эффекта линзирования. Можно обнаружить и ее спутник, спутник звезды, то есть планету, как дополнительную линзочку. И естественно, можно обнаружить еще более слабую линзочку, еще меньший массивный объект — спутник планеты, который является спутником звезды. Но такие способы, по всей видимости, в ближайшее время не будут давать какого-то потока открытий, и поэтому самым перспективным является исследование так называемых транзитных планет.

Это планеты, которые мы наблюдаем и открываем за счет того, что они проходят по диску своей звезды. Соответственно, мы видим падение блеска звезды, потому что по диску проходит темный объект. Если у планеты есть спутник, который также будет темным объектом, то будет наблюдаться несколько интересных эффектов. Во-первых, самое банальное — будет второе темное пятно. И поскольку спутник крутится вокруг планеты, то во время разных прохождений по диску звезды это пятно то будет, то не будет. Можно заметить, таким образом выявить, что это действительно темный спутник, а не, скажем, пятно на поверхности звезды. Но есть более надежные способы, от которых в ближайшее время ожидают положительных результатов. Во-первых, обычно мы считаем, что планета крутится вокруг звезды по идеальной кеплеровской орбите. И соответственно, пронаблюдав одно прохождение, один транзит, мы можем предсказать, когда произойдет второй. Но если у планеты есть спутник, то ее орбита уже не будет, конечно, кеплеровской, потому что планета и спутник крутятся вокруг общего центра масс. Если мы будем смотреть с полюса на всю эту систему, то вместо того, чтобы писать ровный круг или эллипс, планета будет делать такие петельки. И поэтому транзиты, то есть прохождения по диску звезды, будут происходить то раньше, то позже. Это можно заметить, опять-таки выявить периодическую составляющую и понять, что это не влияние каких-то других планет в этой системе, а именно влияние спутника, который крутится вокруг этой планеты.

Второй эффект, тоже связанный с этими петельками, состоит в следующем: транзиты будут не только происходить раньше или позже, а они будут происходить быстрее, потому что планета имеет дополнительную скорость, потому что ее подкручивает спутник. То есть она двигается по своей орбите в какие-то моменты, с нашей точки зрения, быстрее, и поэтому пересекать диск звезды она будет тоже быстрее. И можно заметить, что транзиты имеют разную продолжительность. Где-то эта ямка в кривой блеска меньше, где-то больше. Наконец, третий эффект, более трудноуловимый, связан с тем, что планета из-за влияния спутника может немного менять плоскость своей орбиты, соответственно, по диску звезды она будет проходить то на одной широте, то на другой. Это тоже можно заметить, например, по длительности этого транзита. Таким образом, известно несколько достаточно надежных способов, как можно открыть экзолуну по наблюдению транзитных планет.

На настоящий момент самая большая, самая точная, самая хорошая база наблюдения транзитных планет — это данные спутника «Кеплер». И неудивительно, что единственная серьезная попытка искать спутники экзопланет была предпринята с использованием данных именно этого аппарата. Люди взяли несколько очень хороших планет, по которым есть достаточно много качественных данных, и попробовали посмотреть, нужно ли добавлять спутник, для того чтобы писать все многочисленные транзиты, которые для этих планет наблюдаются. Планет было взято немного, меньше двух десятков, и, к сожалению, ни одного спутника обнаружено не было. В принципе, это ожидаемый результат. Оценки показывают, что можно было бы открывать крупные спутники, если соотношение масс спутника и планеты примерно такое же, как у Земли и Луны. Но все равно не в 100% случаев, а примерно в 14% случаев. Соответственно, специалисты считают, что нужно обработать данные по примерно ста планетам, чтобы открыть один спутник. Пока обработано примерно в шесть раз меньше данных. Так что неудивительно, что экзолуны пока не обнаружены.

К сожалению, «Кеплер», выполнив свою основную программу, даже перевыполнив, сейчас работает в таком уже более упрощенном режиме, когда он не может смотреть все время в одном направлении на небе, поэтому вряд ли «Кеплер» поможет открыть экзоспутники, хотя там есть много еще не обработанных данных или обработанных не с такой высокой точностью, поэтому можно надеяться обнаружить спутники и там.

В будущем полетят новые аппараты типа «Кеплера», и люди связывают некие надежды с европейским аппаратом PLATO, который полетит в 2024 году и будет как минимум шесть лет работать на орбите. Может быть, именно этот аппарат начнет приносить нам данные о спутниках экзопланет. Другая надежда связана с космическим телескопом имени Джеймса Уэбба. Он, может быть, получит прямые изображения спутников планет. Как люди надеются это сделать? Вообще говоря, даже наблюдая сейчас прямые изображения самих экзопланет, мы видим не совсем обычные объекты. Мы видим планеты не потому, что они светят отраженным светом звезды. Как правило, мы видим молодые планеты, которые еще находятся в стадии сжатия и светят зачастую сами. Особенно если наблюдения происходят в длинноволновых диапазонах. То есть мы видим горячие объекты.

Спутники тоже могут быть горячими, потому что планета будет их разогревать, но не своим излучением, а приливами. Если спутник крутится достаточно близко от планеты на расстоянии, скажем, десяток радиусов планеты, планета будет спутник довольно сильно греть, возбуждая в нем приливную волну. И такой разогрев может быть достаточно сильным, можно разогреть до нескольких сотен градусов Кельвина. Это довольно высокие температуры, и телескоп Джеймса Уэбба, который будет работать в инфракрасном диапазоне, сможет такие объекты увидеть. И такие же объекты в то же время очень интересны с точки зрения потенциальной обитаемости спутников. Когда мы говорим об обитаемости планет, мы говорим именно о жизни земного типа на поверхности планеты. Здесь должно выполняться несколько условий. Планета должна быть достаточно массивна, чтобы у нее была атмосфера, но недостаточно массивной, чтобы атмосфера была слишком толстой. Планета должна находиться не слишком близко к звезде, чтобы там не было слишком жарко, и не слишком далеко, чтобы вся вода не превратилась в лед. Такие же рассуждения можно проделать для спутников.

С одной стороны, наивно получается, что если на место Земли поставить какую-нибудь большую планету и у нее будет спутник размером с Землю, то там может возникнуть жизнь. Это правильно. Но для спутников существует еще одна интересная возможность. Мы можем взять массивную планету и унести ее даже далеко от звезды, за зону обитаемости, но за счет того, что планета греет свой спутник приливами, спутник разогреется до достаточной температуры, чтобы там могла появиться жизнь земного типа, если спутник массивный и имеет соответствующую атмосферу. Более того, эффект настолько сильный, что спутник можно перегреть. Если спутник находится слишком близко к планете, приливы слишком мощные, прогрев слишком большой, то ожидается, что там возникнет очень мощный парниковый эффект и жизнь земного типа не возникнет, потому что там будет слишком жарко, хотя сам спутник может находиться вместе с планетой очень далеко, в каких-то десятках астрономических единиц от своей центральной звезды. Но тем не менее экзолуны могут быть обитаемы, и интересным, приятным бонусом является то, что это может происходить далеко от звезды, тогда такие объекты будет проще изучать. На самом деле наличие атмосферы и широкий диапазон температур — это, может быть, не все, что нужно для жизни.

Есть еще одна сложность, она связана с тем, чтобы у объекта было достаточно мощное магнитное поле. Здесь с экзолунами проблема, потому что тела, существенно меньше Земли, возможно, могут не иметь мощного магнитного поля сами по себе, а чтобы спутник защищала планета своей магнитосферой, спутник должен подойти слишком близко, тогда он будет перегрет приливами. Так что, вообще говоря, вопрос с обитаемостью экзолун достаточно сложный, мы не очень хорошо знаем, как возникает жизнь. Но если мы говорим о Солнечной системе, то даже в ней единственные места, где мы еще надеемся обнаружить жизнь в простейшей форме, — это как раз спутники больших планет, а именно Европа, Ганимед, Титан и Энцелад. И во многих случаях важен именно приливной нагрев спутника влиянием планеты, вокруг которой он вращается, и это приводит к тому, что температура внутри спутника достаточно высока, чтобы частично растопить лед, который покрывает его поверхность, создать большой свободный объем воды, и можно надеяться, что в таком большом объеме за несколько десятков лет эволюции может появиться какая-то жизнь.