2017.01.10. - Miért nem fedeztünk fel még exoholdakat?

Az exobolygók holdjainak lehetséges detektálásáról már 1999-ben napvilágot látott egy azóta sokat idézett cikk. 2006-ban magyar kutatók is bekapcsolódtak a munkába, azóta pedig még több műhely dolgozik a problémán.

A recept, amit végig kell számolni, tulajdonképpen nagyon egyszerű. Az exobolygó tranzit-szimulációjába egy "második bolygó" formájában be kell illeszteni egy kis méretű holdat a megfelelő helyre, amit a pályaadatok ismeretében számolhatunk ki. Ezt a szimulált mérést kell zajosítani a műszeres és a csillagtól eredő zajkomponensekkel. Majd második lépésben számos lehetséges "modellkonfigurációt" legyártva illesztéssel kell ellenőrizni, hogy a holdat is tartalmazó megoldás mikor ad szignifikánsan jobb illeszkedést, mint a bolygó önmagában. Ha találtunk ilyen megoldást, az azt jelenti, hogy sikerrel kimutattuk a holdat a szimulált mérésben, és várható, hogy egy hasonló, műszeres mérésben is ki tudjuk majd mutatni. Számos szimulációval értelemszerűen fel lehet térképezni a műszerek korlátait a pályaelemek terében, a csillag mikrováltozásainak, illetve a műszeres zajoknak a függvényében.

Számos kutatócsoport sok távcső mérését szimulálva arra a következtetésre jutott, hogy a műszereink az adott módszerrel alkalmasak a Föld mérete nagyjából felének megfelelő, vagy annál kicsit nagyobb exoholdak megfigyelésére. Egy ilyen hold a Ganymedesnél csak kicsit nagyobb, így van remény a tényleges megfigyelésre.

Fantáziarajz egy exobolygóról és a körülötte keringő holdról. Modelljeink, keresési algoritmusaink és műszereink elvileg alkalmasak más naprendszerek holdjainak detektálására, eddig azonban még egynek a létezését sem sikerült igazolnunk.
[NASA JPL/Caltech]

Ugyanakkor a Kepler/K2- és a CoRoT-adatokban, de a HST- és Spitzer-, illetve földi mérésekkel sem akadtunk még exoholdak nyomára. Ez pedig jelentős ellentmondás! A magyarázatához azt kellene feltételeznünk, hogy 1) a holdak a naprendszerekben nagyon ritkák, vagy 2) a Ganymedes méretét kissé meghaladó holdak valamilyen fizikai törvényszerűség miatt nem fordulhatnak elő a világegyetemben, vagy 3) valamit rosszul csinálunk. Mivel az első két opciót nem tudjuk alátámasztani, egy magyar-francia kutatócsoport (az ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium és a párizsi IPGP munkatársai) megvizsgálták a harmadik lehetőséget.

Kiderült, hogy a detektálási módszereink elvileg helyesek, és a műszerek mérési adatait is jól modellezzük. A probléma a katalógusokkal van: az ismert exobolygók katalógusa egyszerűen túl szűkre van szabva, nem tartalmaz olyan rendszereket, ahol komoly esély van holdak létére, és a csillag is elég fényes a detektáláshoz.

A jelenség oka az árapály: a bolygó árapály-ereje a holdat (a mi Holdunkhoz hasonlóan) egyre táguló pályára kényszeríti, míg végül az exohold a Hill-sugarat elérve elszökik. A jelenség nagyon gyors, ha a Hill-sugár közel van a bolygóhoz. Ekkor a holdra igen nagy árapály-erők hatnak, és az rövid, kifelé tartó migráció után elhagyja a bolygót. Szintén gyors a jelenség, ha a hold tömege nagy, mert ekkor is nagy az árapály hatása. Jelenleg viszont éppen olyan tranzitos rendszereket ismerünk, ahol pár nap a bolygó keringési ideje, a bolygó közel van a csillagához, így a Hill-sugár is nagyon közel van a bolygóhoz. Ráadásul csak nagyon nagy holdakat tudnánk detektálni, amelyek még gyorsabban migrálnak kifelé.

A magyar-francia kutatócsoport ezért kifejlesztett egy vetting-algoritmust (a vetting eredetileg a lovak minősítési rendszere, innen került át a Kepler exobolygós szóhasználatba), amely a becsülhető árapály-szökési időskálán alapulva megmondja, hogy egy adott bolygórendszerben van-e esély hold jelenlétére, és a csillag fényessége alapján megállapítja, hogy egyáltalán mérhető lesz-e a jel. A keresést a jelenlegi exobolygó-katalógus összes bolygójára lefuttatva szinte minden esetben az "esélytelen" minősítést jött ki, a szökési idők nem egy esetben az ezer év(!) nagyságrendjébe estek. Nem meglepő tehát, hogy eddig nem detektáltunk exoholdat!

A holdak bolygótömeghez skálázott relatív tömegei (függőleges tengely) és a bolygósugárhoz skálázott relatív távolságai (vízszintes tengely) megmutatják a bolygó belső szerkezetét jellemző ún. Love-számot. A függőleges szaggatott vonaltól a bolygó felé a gyűrű hatása is jelentős, a távoli holdak tisztán a bolygó hatását mérik.
[Crida és Charnoz, Science, 338 (2012) alapján]

A sikeres detektáláshoz olyan rendszerekre lenne szükség, ahol fényes csillag körül legalább 50 napos periódussal keringenek tranzitos bolygók. Ilyen tranzitos rendszereket már ismerünk, de még nincs pontos pályamegoldásuk. Megfelelő földi támogatás után ezeknek a rendszereknek a vizsgálatával a jövő európai exobolygós űrtávcsövei (CHEOPS, PLATO) már nemcsak alkalmas műszerekként fognak működni, hanem "jó helyre" is tudnak majd nézni, hogy az első exoholdat megtalálhassuk.

A fenti eredmények a TÉT-14FR-1-2015-0012 pályázat keretében születtek.

Forrás:

• TÉT-14FR-1-2015-0012 pályázati beszámolók