Луны, вращающиеся вокруг экзопланет, являются одними из наиболее привлекательных мест для поиска жизни за пределами нашей Солнечной системы. И, возможно, мы скоро обнаружим эти неуловимые космические объекты.
Где же скрываются все эти экзолуны? Охота за мирами, вращающимися вокруг внесолнечных планет
Много лет назад, когда астроном Дэвид Киппинг жил в Лондоне, он шел домой через весь город и смотрел на Луну. Ее тусклое свечение служило ему источником вдохновения. "Это было своего рода напоминание о том, что вокруг экзопланет нас ждут спутники", - рассказывает он. " Поэтому было логично, если мы начнем их искать".
Обнаружение экзолун - естественных спутников миров за пределами нашей Солнечной системы - было бы весьма увлекательным. Во-первых, они могут играть ключевую роль в оценке обитаемости планет-хозяев, ослабляя их колебания и способствуя стабильному климату, подобно тому, как это сделала наша Луна для Земли. Они также могут иметь странные и удивительные формы, например, лунные кольца или луны с собственными спутниками. Но самое интересное, что некоторые из них могут оказаться более пригодными для жизни, чем экзопланеты.
Киппинг, ныне сотрудник Колумбийского университета в Нью-Йорке, входит в небольшой круг астрономов, занимающихся поиском экзолун. По крайней мере, статистические данные на его стороне: на данный момент было обнаружено около 5500 экзопланет, и у некоторых из них могут быть десятки лун. Проблема в том, что доказать их существование не так-то просто. Два открытия, сделанные Киппингом на данный момент, вызвали массу споров.
Однако недавно на горизонте забрезжила надежда: появилось множество новых способов поиска подобных объектов - от наблюдения за планетами-изгоями, покинувшими свои звездные системы, до мониторинга гравитационных колебаний экзопланет. Вооруженные этими новыми методами и благодаря появлению новых телескопов, охотники за лунами готовятся открыть совершенно новый класс инопланетных миров.
Если судить по нашей Солнечной системе, луны встречаются повсюду - они есть у шести из восьми наших планет. У Земли есть одинокий и довольно крупный спутник, а у Марса - два небольших астероидоподобных компаньона. Четыре планеты-гиганта обладают самыми многочисленными спутниковыми системами, а рекордсменом является Сатурн, у которого насчитывается более 150 известных лун.
Следует отметить, что луны могут иметь разное происхождение. Наша луна, по-видимому, появилась в результате случайного столкновения с объектом размером с Марс 4,5 миллиарда лет назад, и его приливные эффекты сыграли ключевую роль в эволюции жизни на Земле. С другой стороны, спутники Марса, вероятно, являются захваченными астероидами, а луны Юпитера и Сатурна, возможно, сформировались в дисках обломков вокруг этих планет.
Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить нашу планету из Солнечной системы
Как могут выглядеть экзолуны?
Луны могут иметь самые разные формы. Две луны Сатурна - Янус и Эпиметей - имеют практически общую орбиту. Впрочем, все может оказаться еще более странным. "В принципе, вокруг планет могут формироваться самые невероятные структуры, например, лунные кольца, как у Сатурна. Только вместо крошечных частиц - спутники", - говорит Шон Реймонд из Университета Бордо во Франции. Совместно с Джуной Коллмейер из Обсерватории Карнеги в Калифорнии Рэймонд выдвинул гипотезу, что при определенных условиях луны могут иметь свои собственные спутники. Такое небесное тело называется спутник спутника.
Астрономы начали всерьез задумываться об экзолунах, после того как в 90-х годах прошлого века были открыты первые экзопланеты. Даррен Уильямс, ныне преподаватель Университета штата Пенсильвания, примерно в это время был аспирантом. "Очень быстро их число выросло с нуля до нескольких десятков", - говорит он. "Все эти планеты были гигантскими юпитерами. Я предположил, что у них могут быть луны, и некоторые из них будут достаточно большими, чтобы на них могла существовать жизнь".
Луны могут стать весьма привлекательными местами для поиска жизни, если они достаточно велики, чтобы на них существовали обширные атмосферы. По словам Лизы Калтенеггер из Корнельского университета, "отсечка" для этого удивительно мала - едва ли одна десятая массы Земли. "Нет никаких причин, по которым экзолуна не могла бы быть обитаемой", - говорит она. И если планеты, скорее всего, должны вращаться в обитаемой зоне звезды, чтобы на них могла существовать жидкая вода и жизнь, то луна может быть согрета планетой, находящейся на гораздо более высокой орбите вокруг звезды. "Эти луны могут находиться гораздо дальше, чтобы быть достаточно теплыми для жизни", - говорит Кальтенеггер. "Их гораздо легче уберечь от замерзания внутри из-за приливного нагрева от планеты-хозяина".
Возьмем в качестве примера нашу Солнечную систему. Мы знаем, что приливные силы Юпитера поддерживают четыре его крупнейшие луны в более теплом состоянии, чем они могли бы быть в противном случае, поскольку они сжимают их, что приводит к выделению тепла за счет трения. В то же время спутник Сатурна Титан - единственное известное место, кроме Земли, на поверхности которого есть озера и моря, правда, заполненные не водой, а жидкими углеводородами.
Большинство обнаруженных на сегодняшний день экзопланет кажутся довольно дикими и экзотическими по сравнению с мирами нашей Солнечной системы. Астрономы пытаются найти пригодные для жизни планеты, похожие на Землю. Но отыскать относительно небольшие, тусклые тела, вращающиеся вокруг крупных и ярких звезд, нелегко. Для поиска большинства известных экзопланет ученые используют метод транзитов, полагаясь на случайность при обнаружении планет, проходящих перед своими звездами.
На потенциально обитаемой луне, вращающейся вокруг газового гиганта, может быть "удивительное небо", особенно если спутник находится в приливной зоне, когда одна его сторона всегда обращена к планете, как наша Луна к Земле. Одна сторона такого спутника будет постоянно находиться под планетарным сиянием, и на ней никогда не будет полной ночи. "Вы могли бы пройтись по этой луне - с дальней стороны на сторону планеты - и планета стала бы видна", - говорит Кальтенеггер.
Все это говорит о том, что экзолуны - удивительные места. Так как же их найти? Почему мы до сих пор не можем подтвердить факт их реального существования?
Жан Шнайдер из Парижской обсерватории был первым, кто попытался ответить на один из этих вопросов. В 1999 году астрономы открыли новые горизонты, обнаружив экзопланету с помощью новой технологии, названной транзитным методом - наблюдением за падением блеска звезды, когда планета проходит перед ней. Теоретически, подумал Шнайдер, с помощью подобной техники можно обнаружить экзолуны. Он выяснил, что экзоспутник должен вызывать небольшой сдвиг в транзите планеты в зависимости от того, находится ли он впереди или позади планеты, когда она проходит перед звездой. Сейчас этот метод называется вариациями времени транзита. " Это позволяет определить период обращения Луны вокруг планеты, а амплитуда колебаний - массу Луны", - говорит эксперт.
Охота за экзолунами с помощью телескопа НАСА "Кеплер"
Первая реальная попытка поиска луны вокруг транзитной экзопланеты была предпринята с помощью космического телескопа "Хаббл" в 2001 году, но, к сожалению, неудачно. Однако в 2009 году благодаря запуску телескопа НАСА "Кеплер" в области изучения транзитных экзопланет произошел переворот. За девять лет наблюдений телескоп обнаружил более 2700 транзитных миров. Именно благодаря этим наблюдениям Киппинг начал всерьез задумываться о возможности обнаружения экзолун.
По мере того, как поступали данные об открытиях "Кеплера", он и его коллега Алекс Тичи из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica (Тайвань) тщательно анализировали их в поисках экзолун. Проблема заключалась в том, что многие открытия Кеплера были "горячими юпитерами" - газовыми гигантами, вращающимися на близких орбитах вокруг своих звезд. Это исключало возможность существования экзолун, поскольку гравитационное притяжение звезд в таких местах могло бы попросту разорвать любые спутники.
Струи плазмы коллапсаров способны замедлять вращение черных дыр почти до полной остановки
Таким образом, после первого анализа 300 планет, обнаруженных "Кеплером" в 2016 году, Киппинг и Тичи фактически оказались "у разбитого корыта". "Помню, я был очень подавлен", - говорит Киппинг. Я пришел в офис Алекса и спросил: "Здесь вообще хоть что-нибудь есть?"". Но никаких четких сигналов от экзоспутников не было.
Единственный потенциальный объект, обнаруженный учеными, находился вокруг газового гиганта под названием Kepler-1625 b, расположенного в 8200 световых годах от Земли и примерно такого же размера, как Юпитер, но с гораздо большей массой. В 2017 году экспертам предоставили время на "Хаббле" для более детального наблюдения за этой планетой. Они обнаружили изменение времени транзита, указывающее на присутствие экзолуны, которую они назвали Kepler-1625 b I. Чтобы создать сигнал, луна должна была быть огромной, с радиусом как у Нептуна.
К сожалению, при дальнейшем изучении выяснилось, что результаты оказались ложными. Никакой анализ не мог однозначно подтвердить сигнал, который наблюдали ученые. "Возникли определенные противоречия", - говорит Киппинг. "Я и сам отношусь к этому очень скептически".
Затем, в 2022 году, Киппинг и Тичи обнаружили вторую экзолуну вокруг планеты размером с Юпитер, находящейся на расстоянии 5600 световых лет от нас, под названием Kepler-1708 b. Эта луна была бы гораздо меньше первой, но все равно огромной по сравнению с любой в нашей Солнечной системе. Это мог быть мини-Нептун или суперземля размером более чем в два раза больше нашей планеты. Киппинг описывает этого кандидата как " по сути, это то, что мы просто не смогли убить... постоянный сигнал экзолуны, от которого мы не смогли избавиться".
Однако согласились с этим не все. В декабре 2023 года Рене Хеллер из Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка и Михаэль Хиппке из Зоннебергской обсерватории (оба - Германия) опубликовали работу, опровергающую существование двух экзолун. Повторно проанализировав исходные данные, Хеллер и Хиппке заявили, что не смогли найти тех же доказательств, что и Киппинг и Тичи. "Мы пришли к выводу, что ни Kepler-1625 b, ни Kepler-1708 b, предположительно, не находятся на орбите крупной экзолуны", - написали авторы.
Но Киппинг утверждает, что в анализе Хеллера и Хиппке были допущены некоторые ошибки. "Мы использовали именно тот набор данных, который они опубликовали, и все равно смогли восстановить сигнал", - говорит он, написав в январе опровержение работы астрономов. "Для меня нет никаких сомнений в том, что их модели каким-то образом упустили это решение".
Впечатление художника от космического телескопа НАСА "Нэнси Грейс Роман". GSFC/SVS
Эта дискуссия показывает, насколько сложно подтвердить факт обнаружения экзолуны с помощью данных "Кеплера" и "Хаббла". Так, что обнаружения Киппинга в лучшем случае остаются предварительными. "Это не слэм-данки (бросок сверху в баскетболе), а в мире экзопланет люди привыкли к слэм-данкам", - говорит Тичи.
Экзопланеты-изгои
Для того чтобы выяснить, существуют ли такие луны, потребуются дальнейшие длительные наблюдения. Поэтому возможно, стоит поискать их где-нибудь в другом месте - например, вокруг свободно плавающих планет. Эти миры, известные также как планеты-изгои, были замечены космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), дрейфующими по нашей галактике и светящимися от остаточного тепла, что также может служить источником энергии для потенциальной жизни. Эти блуждающие объекты, вероятно, выброшенные с орбит вокруг молодых звезд, могут выступать в роли блуждающих оазисов, пригодных для жизни.
Если у этих изгоев есть на орбитах крупные луны, то можно попытаться обнаружить их транзиты. "За ними можно наблюдать примерно так же, как за звездой в поисках транзитной экзопланеты, но вместо экзопланеты вы увидите луны", - говорит Мелинда Соарес-Фуртадо из Университета Висконсин-Мэдисон.
Космический телескоп Нэнси Грейс Роман
Обсерватория НАСА, запуск которой намечен на 2027 год, как раз и предназначена для этих целей. Космическая обсерватория Nancy Grace Roman Space Telescope, известная просто как Roman, будет в течение многих лет наблюдать за ночным небом. Главная цель - поиск транзитных планет. Ожидается, что их будет обнаружено не менее 100 000. В 2022 году Соарес-Фуртадо и Мэри-Энн Лимбах из Мичиганского университета и их коллеги подсчитали, что телескоп также будет особенно чувствителен к экзолунам, вращающимся вокруг свободно плавающих миров в туманности Ориона. Это ближайшая к Земле область интенсивного звездообразования, где, как считается, обитают планеты-изгои. По мнению исследователей, там можно обнаружить более десятка транзитных экзолун, если таковые вообще существуют - потенциально до размеров спутника Юпитера Каллисто или Титана Сатурна.
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной
Такие открытия также позволят нам понять, насколько распространены экзолуны. "Можно провести масштабные статистические вычисления, - говорит Соарес-Фуртадо. Если эти луны окажутся настолько многочисленными, как мы предполагаем, это может значительно увеличить количество мест, где мы однажды сможем найти жизнь". "Если наша Солнечная система не уникальна по количеству лун, которые мы здесь находим, это увеличивает количество мест для поиска примерно в 100 раз", - говорит Соарес-Фуртадо. Такая оценка основана на том, что в нашей Солнечной системе лун примерно в 100 раз больше, чем планет.
Большинство экзопланет, которые надеется обнаружить Роман, должны находиться на орбитах вокруг звезд. Для их поиска предполагается использовать еще одну методику, называемую микролинзированием. Это способ позволяет обнаружить изгиб света от далекой звезды, когда более близкая звезда и сопутствующие ей планеты проходят между ней и нашей линией зрения. По словам Скотта Гауди из Университета штата Огайо, возглавляющего группу по изучению экзопланет Романа, этот метод потенциально способен обнаружить и экзолуны, "вплоть до спутников с массой, примерно вдвое превышающей массу нашей Луны или массу Ганимеда, принадлежащего Юпитеру". Он даже может обнаружить вокруг планет с массой Земли луны, сравнимые с нашей собственной". "Конечно, мы не обнаружим с помощью Римана тысячи экзолун", - говорит он. "Но мы начнем понимать, насколько распространены эти объекты".
Группа ученых, занимающихся поиском экзомонов, немногочисленна, вероятно, потому, что это все это очень сложно. Но они полны решимости и новых идей. Эндрю Вандербург из Массачусетского технологического института, например, собирается искать экзолуны совершенно другим способом, фиксируя небольшое гравитационное колебание планеты, вызванное наличием у нее спутника. Будущие крупные наземные телескопы, такие как Чрезвычайно большой телескоп, строительство которого планируется завершить в Чили примерно в 2028 году, будут особенно эффективны для этой цели. "Если вы сможете вести наблюдения за самими планетами, фиксируя свет с помощью прямой визуализации, вы сможете искать луны", - говорит он.
Кроме того, в поисках экзолун могут помочь новые телескопы, предназначенные для изучения транзитов экзопланет, только теперь они способны обнаружить экзолуну в звездной системе с более высокой точностью. Новый прибор Европейского космического агентства (ЕКА) под названием Plato, запуск которого намечен на 2026 год может оказаться эффективным инструментом для обнаружения лун размером до Земли, говорит научный руководитель проекта ESA (Нидерланды) Ана Херас. Обсерватория НАСА "Обитаемые миры", предполагаемый преемник JWST, запуск которого намечен на 2040-е годы и который будет изучать планеты, похожие на Землю, и искать жизнь, может продвинуться еще дальше - в свете этих планет этот телескоп будет улавливать отраженный свет экзоспутников размером с нашу Луну. "Обитаемые миры" - это совершенно невероятная возможность найти экзолуны, - говорит Лимбах.
Охотники за экзолунами готовятся открыть совершенно новый класс инопланетных миров Вся надежда на JWST
Все это, конечно, замечательно, но ждать наблюдений придется годами, а то и десятилетиями. К счастью, уже существует телескоп, который может найти такие маленькие луны, как Европа, размер которой составляет около 90 процентов от размера земной луны. "JWST - первый телескоп, построенный человечеством, который может найти такие космические объекты", - говорит Киппинг.
К своему разочарованию, он, как и другие ученые неоднократно направляли в американский Научный институт космического телескопа (STScI), в ведении которого находится JWST, предложения по использованию прибора для поиска экзолун, но пока безуспешно. По словам Вандербурга, предложения по использованию JWST проходят экспертную проверку и советуются с STScI о том, какие программы следует одобрить, но проекты по поиску экзолун "постоянно отклоняются в рецензиях, потому что это научно недоказанная идея. Пока мы не обнаружим первую луну, все так и будет".
Но охотники за лунами не сдаются. В марте Киппинг и его коллеги должны узнать, увенчалось ли успехом их очередное предложение STSci по поиску экзолун. Его команда обнаружила три космических объекта, которые могут стать идеальными кандидатами для этого: два газовых гиганта и одну суперземлю. "Эти луны действительно должны быть там, - говорит Киппинг. Но только один из существующих телескопов может их обнаружить. Если хотя бы одна из заявок на JWST будет одобрена, мы сможем осуществить самый тщательный поиск экзолун. Мы почти уверены, что они существуют. Но "недостаточно просто сказать, что они есть", - говорит Тичи. "Кто-то, черт возьми, должен их найти".
