Tylko dwie z ponad 5300 znanych egzoplanet dostarczyły dotychczas dowodów na istnienie księżyców krążących wokół nich. Podczas obserwacji planet Kepler-1625b i Kepler-1708b za pomocą teleskopów kosmicznych Keplera i Hubble'a badacze po raz pierwszy odkryli ślady takich księżyców. Nowe badanie budzi obecnie wątpliwości co do tych wcześniejszych twierdzeń. Jak podają dziś w czasopiśmie Nature Astronomy naukowcy z Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka (MPS) i Obserwatorium Sonnenberg w Niemczech, interpretacje obserwacji „dotyczących wyłącznie planet” są bardziej jednoznaczne. Do analizy naukowcy wykorzystali nowo opracowany algorytm komputerowy Pandora, który ułatwia i przyspiesza wyszukiwanie egzoksiężyców. Zbadali także, jakie egzoksiężyce zasadniczo można znaleźć we współczesnych obserwacjach astronomicznych prowadzonych w przestrzeni kosmicznej. Ich odpowiedź jest dość szokująca.
W naszym Układzie Słonecznym fakt, że wokół planety krąży jeden lub więcej księżyców, jest raczej regułą niż wyjątkiem: oprócz Merkurego i Wenus wszystkie inne planety mają takich towarzyszy; w przypadku gazowego giganta Saturn badacze odkryli do dziś 140 naturalnych satelitów. Dlatego naukowcy uważają za prawdopodobne, że planety w odległych układach gwiezdnych również posiadają księżyce. Jak dotąd jednak dowody na istnienie takich egzoksiężyców pojawiły się jedynie w dwóch przypadkach: Kepler-1625b i Kepler-1708b. Ta niska wydajność nie jest zaskakująca. W końcu odległe satelity są z natury znacznie mniejsze od swoich macierzystych światów i dlatego znacznie trudniej je znaleźć. Niezwykle czasochłonne jest także przeszukiwanie danych obserwacyjnych tysięcy egzoplanet w poszukiwaniu dowodów na istnienie księżyców.
Aby wyszukiwanie było łatwiejsze i szybsze, autorzy nowego badania polegają na opracowanym przez siebie i zoptymalizowanym przez siebie algorytmie wyszukiwania egzoksiężyców. Swoją metodę opublikowali w zeszłym roku, a algorytm jest dostępny dla wszystkich badaczy w postaci otwartego kodu źródłowego. Po zastosowaniu danych obserwacyjnych z Kepler-1625b i Kepler-1708b wyniki były zdumiewające. „Chcielibyśmy potwierdzić odkrycie egzoksiężyców wokół Kepler-1625b i Kepler-1708b” – mówi pierwszy autor nowego badania, naukowiec MPS, dr René Heller. „Ale niestety nasze analizy pokazują coś innego” – dodaje.
Zabawa w chowanego egzoksiężyca
Planeta podobna do Jowisza Kepler-1625b trafiła na pierwsze strony gazet pięć lat temu. Naukowcy z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku przedstawili mocne dowody na istnienie na swojej orbicie gigantycznego księżyca, który przyćmiłby wszystkie księżyce Układu Słonecznego. Naukowcy przeanalizowali dane z należącego do NASA teleskopu kosmicznego Kepler, który podczas swojej pierwszej misji w latach 2009–2013 zaobserwował ponad 100 000 gwiazd i odkrył ponad 2000 egzoplanet. Jednak w latach następujących po twierdzeniu o odkryciu w 2018 r. kandydat na egzoksiężyc zmusił astronomów do zabawy w kosmiczną wersję zabawy w chowanego. Najpierw zniknął, gdy dane Keplera zostały oczyszczone z systematycznego szumu. Jednak dalsze obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a ponownie natrafiły na wskazówki. A w zeszłym roku ten niezwykły kandydat na egzoksiężyc znalazł towarzystwo: według nowojorskich badaczy inny gigantyczny księżyc, znacznie większy od Ziemi, krąży wokół planety Kepler-1708b wielkości Jowisza.
Właściwy mecz
„Egzoksiężyce są tak daleko, że nie możemy ich zobaczyć bezpośrednio, nawet za pomocą najpotężniejszych współczesnych teleskopów” – wyjaśnia dr René Heller. Zamiast tego teleskopy rejestrują wahania jasności odległych gwiazd, których szereg czasowy nazywany jest krzywą blasku. Następnie badacze szukają oznak księżyców na tych krzywych blasku. Jeśli egzoplaneta przechodzi przed swoją gwiazdą widzianą z Ziemi, przyciemnia ją o niewielki ułamek. Zdarzenie to nazywa się tranzytem i powtarza się regularnie wraz z okresem obiegu planety wokół gwiazdy. Egzoksiężyc towarzyszący planecie miałby podobny efekt przyciemnienia. Jej ślad na krzywej blasku byłby jednak nie tylko wyraźnie słabszy. Ze względu na ruch Księżyca i planety wokół wspólnego środka ciężkości, to dodatkowe przyciemnienie krzywej blasku będzie miało dość skomplikowany wzór. Należy wziąć pod uwagę inne efekty, takie jak zaćmienia planet i księżyców, naturalne zmiany jasności gwiazdy i inne źródła hałasu generowanego podczas pomiarów teleskopowych.
Aby jednak wykryć księżyce, zarówno nowojorscy badacze, jak i ich niemieccy koledzy najpierw obliczają wiele milionów „sztucznych” krzywych blasku dla wszystkich możliwych rozmiarów, wzajemnych odległości i orientacji orbit możliwych planet i księżyców. Następnie algorytm porównuje te symulowane krzywe blasku z obserwowaną krzywą blasku i szuka najlepszego dopasowania. Naukowcy z Getyngi i Sonnebergu wykorzystali algorytm Pandora o otwartym kodzie źródłowym, który jest zoptymalizowany pod kątem wyszukiwania egzoksiężyców i może rozwiązać to zadanie o kilka rzędów wielkości szybciej niż poprzednie algorytmy.
Ani śladu księżyców
W przypadku planety Kepler-1708b niemiecki duet odkrył teraz, że scenariusze bez księżyca mogą wyjaśniać dane obserwacyjne równie dokładnie, jak scenariusze z księżycem. „Prawdopodobieństwo, że księżyc krąży wokół Keplera-1708b, jest wyraźnie niższe niż wcześniej raportowano” – mówi Michael Hippke z Obserwatorium Sonneberg i współautor nowego badania. „Dane nie sugerują istnienia egzoksiężyca wokół Keplera-1708b” – kontynuuje Hippke.
Wiele wskazuje na to, że Kepler-1625b również nie ma gigantycznego towarzysza. Tranzyty tej planety przed jej gwiazdą obserwowano wcześniej za pomocą teleskopów Keplera i Hubble'a. Niemieccy badacze argumentują obecnie, że chwilowa zmiana jasności gwiazdy na jej dysku, efekt znany jako ciemnienie kończyn gwiazdowych, ma kluczowy wpływ na proponowany sygnał egzoksiężyca. Na przykład brzeg dysku słonecznego wydaje się ciemniejszy niż środek. Jednak w zależności od tego, czy patrzymy na macierzystą gwiazdę Keplera-1625b przez teleskop Keplera, czy przez teleskop Hubble'a, efekt ciemnienia kończyn wygląda inaczej. Dzieje się tak, ponieważ Kepler i Hubble są wrażliwi na różne długości fal światła, które otrzymują. Naukowcy z Getyngi i Sonnebergu argumentują obecnie, że ich modelowanie tego efektu wyjaśnia dane w sposób bardziej przekonujący niż gigantyczny egzoksiężyc.
Ich nowe, obszerne analizy pokazują również, że algorytmy wyszukiwania egzoksiężyców często dają fałszywie pozytywne wyniki. Raz po raz „odkrywają” księżyc, choć w rzeczywistości jest to tylko planeta przechodząca przez swoją gwiazdę macierzystą. W przypadku krzywej blasku, takiej jak Kepler-1625b, odsetek „fałszywych trafień” prawdopodobnie wyniesie około 11 procent. „Wcześniejsze twierdzenie naszych kolegów z Nowego Jorku o egzoksiężycach było wynikiem poszukiwań księżyców wokół kilkudziesięciu egzoplanet” – mówi Heller. „Według naszych szacunków wynik fałszywie dodatni nie jest wcale zaskakujący, ale prawie można się go spodziewać” – dodaje.
Dziwne satelity
Naukowcy wykorzystali także swój algorytm do przewidywania typów rzeczywistych egzoksiężyców, które można wyraźnie wykryć w misjach kosmicznych zawierających krzywe blasku, takich jak Kepler. Według ich analiz przy użyciu obecnej technologii możliwe jest wykrycie jedynie szczególnie dużych księżyców krążących wokół własnej planety po szerokiej orbicie. W porównaniu ze znanymi księżycami naszego Układu Słonecznego wszystkie byłyby dziwakami: co najmniej dwa razy większe od Ganimedesa, największego księżyca w Układzie Słonecznym, a zatem prawie tak duże jak Ziemia. „Pierwsze egzoksiężyce, które zostaną odkryte w przyszłych obserwacjach, np. podczas misji PLATO, z pewnością będą bardzo niezwykłe i dlatego ekscytujące do eksploracji” – mówi Heller.