Экзолуны, вероятно, можно увидеть уже сегодняшними телескопами

Подавляющее большинство известных экзопланет найдено с использованием различных непрямых методов, в частности доплеровского и транзитной фотометрии.

Метод прямого визуального обнаружения при помощи телескопов пока не приносит таких результатов, ведь планеты — крайне слабые источники света (в отличие от звёзд), и их свет очень сложно «отфильтровать» из-за высокой яркости родительской звезды. Поэтому прямое обнаружение экзопланет — очень трудная задача, возможная лишь в том случае, если небесное тело велико, а его орбита удалена от звезды (дабы свет последней не мешал наблюдениям). Именно так и происходит: из 31 экзопланеты, открытой методом прямого наблюдения, самая лёгкая вдвое-втрое тяжелее Юпитера, а самая близкая к своей звезде находится от неё вдвое дальше, чем Земля от Солнца. Ну а самая дальняя и вовсе располагается в 2 500 а. е.

Такие газовые гиганты не очень интересны для поиска потенциальной жизни. Но иного методами прямого наблюдения не получить: всегда будет легче заметить короткопериодичные массивные планеты. Или нет?

Мэри Энн Питерс (Принстонский университет) и Эдвин Л. Тёрнер (Токийский университет) рассмотрели вариант, кажущийся настолько очевидным, что даже неясно, как его могли не заметить. Часть спутников газовых гигантов в Солнечной системе подвергается приливному разогреву: колоссальная гравитация соседних гигантов вызывает приливные движения их приповерхностных слоёв, а инициированное ими трение приводит к существенному нагреву. По некоторым предположениям, такой приливной разогрев ответствен за существование гипотетического подповерхностного водного океана даже на Тритоне — удалённом на колоссальное расстояние от Солнца крупном спутнике.

При температуре поверхности в 600 К экзолуну размером с Землю можно обнаружить с вероятностью в 5σ (99,9995%). (Иллюстрации M. A. Peters, E.Turner, David A.Hardy.)

Проведя компьютерное моделирование последствий приливного разогрева для широкого спектра начальных условий, исследователи выяснили, что разогретый таким образом спутник может иметь светимость больше своей планеты (!) и даже до 0,1% светимости звезды типа красного карлика (спектрального класса M5), что однозначно позволяет отфильтровать его свет от излучения светила. Правда, температура поверхности такого разогретого спутника должна быть не менее 600 К, и ни на какую жизнь тут надеяться не приходится (даже самым стойким термофилам нечего делать там, где больше 400 К). Кроме того, радиус такой экзолуны должен быть равным земному, а район уверенного обнаружения будет ограничен 18 световыми годами. И всё-таки, несмотря на то что в Солнечной системе нет спутников диаметром с Землю, вероятность существования таких тел в других планетарных системах может быть довольно высокой: скажем, у нас нет ни одной «суперземли» или планеты крупнее Юпитера, однако, согласно астрономическим наблюдениям, такие планеты по численности чуть ли не доминируют во Вселенной.

И тем не менее шанс есть. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» с составным зеркалом диаметром в 6,5 м (у «Хаббла» — 2,4 м), который к 2018 году должен оказаться на орбите, по расчётам авторов, позволит выявлять приливно-разогретые экзолуны с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли). При этом экзолуны, находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, будут уверенно обнаруживаться на расстоянии до 15 световых лет от Земли, то есть мы сможем исследовать две дюжины ближайших к Солнцу звёзд.

Как отмечают учёные, при возникновении между лунами одной планеты резонанса их приливное взаимодействие с большими планетами будет очень длительным. В качестве примера такого резонанса (1:2:4) указываются Ио, Европа и Ганимед, где он поддерживает на стабильном уровне эксцентриситет орбиты Ио и, соответственно, приливной разогрев этого юпитерианского спутника. Кстати, при наложении системы спутников Юпитера на Нептун (при соответствующем масштабировании орбит таких спутников) выяснилось, что светимость Ио из-за более интенсивного разогрева была бы выше, чем у самого Нептуна. Иными словами, даже в нашей системе мы лишь по случайности не наблюдаем такого сверхъяркого спутника, главным источником светимости которого было бы приливное взаимодействие.

«Ну и что?» — недоумённо спросит читатель. Ведь экзолуны можно искать и непрямыми методами. Да, этим в том числе занимается телескоп «Кеплер», но пока без особого успеха. Из-за низкой массы и радиуса косвенные методы обнаружения экзолун не столь хороши, как в случае экзопланет. А ведь тема очень важна. Дело в том, что несколько исследований 2010-2011 годов показали, что в действительности количество экзолун, по массе приближающихся к Земле, может быть огромным. Строго говоря, даже гораздо меньшая экзолуна может иметь очень плотную атмосферу: тот же Титан по плотности атмосферы превосходит Землю, и это при гравитации, уступающей лунной. При температуре поверхности в районе 300 К они могут быть вполне подходящими для жизни. Учитывая, что большинство известных на сегодня экзопланет — газовые гиганты, наличие даже у небольшой их части таких разогреваемых приливным взаимодействием экзолун может означать столь могучую популяцию, что её можно будет численно сравнивать с количеством самостоятельных землеподобных планет.

Недоразумения с Фомальгаутом b могут объясняться тем, что астрономы искали один объект там, где их было два. (Иллюстрация ESA, NASA, L. Calcada.)

Побочным результатом исследования оказался следующий интересный вывод: некоторые экзопланеты, обнаруживаемые методом прямого наблюдения, на самом деле могут быть как раз такими разогретыми своими гигантским соседями экзолунами, а вовсе не самостоятельными планетами. Так, Фомальгаут b, экзопланета, которую то обнаруживают около Фомальгаута, звезды спектрального класса А4 в 25 световых годах от Земли, то «закрывают», демонстрирует такую разность в яркости и иных параметрах, что исследователи видят в нём первого кандидата в разогреваемую приливным взаимодействием экзолуну (РПВЭ).

Такое объяснение поможет совместить данные наблюдений в оптическом и инфракрасном диапазоне: небольшая экзолуна не будет давать значительного ИК-излучения, как нормальная экзопланета (его как раз и не находят при наблюдениях).

С другой стороны, затмения гипотетической экзолуны должны так менять излучение от многострадального Фомальгаута b, что оно будет всё время варьироваться. Как полагают учёные, дальнейшее регулярное наблюдение за системой обеспечит нас более полной информацией о присутствии РПВЭ в системе Фомальгаута.

Авторы работы особо отмечают, что, согласно разработанной ими модели, прямое наблюдение и появление изображений экзолун такого типа (с жидкой водой на поверхности) в окрестностях Солнца технически будет возможно раньше, чем получение изображений поверхности обычных экзопланет в зоне обитаемости. По сути, мы сможем делать это в ближайшие годы, причём без реализации таких дорогостоящих проектов, как Terrestrial Planet Finder и DARWIN.

Подготовлено по материалам arXiv.