Астрономы в поисках жизни обратились к спутникам экзопланет

Благодаря гравитационной тяге спутники планет вне Солнечной системы останутся яркими на протяжении всего существования, а не только в начальный период зарождения планетных систем. Это означает, что звезды разных возрастов могли бы обладать планетами со спутниками, "свечение" которых можно зарегистрировать с Земли.

"В отличие от традиционного прямого экспонирования, для нового подхода к фотографированию любая звезда будет хорошим кандидатом", — рассказывает исследовательница Мари Энн Питерс (Mary Anne Peters) из Принстона.

Пока спутник движется вокруг своей планеты, более крупное тело старается сделать круглой орбиту меньшего тела. Но если у планеты больше одного спутника, может происходить борьба за энергию между меньшими телами. В результате спутник излучает такой объем тепла, который делает его достаточно ярким, чтобы стать видимым на фотографии.

Напомним, что экзопланеты у звёзд Галактики невозможно "увидеть" при помощи современных инструментов. Слишком тусклыми являются эти космические тела на фоне остального неба. Зато наличие планет в чужих системах можно установить по колебаниям в свечении их звёзд (когда экзопланета проходит по диску светила, частично уменьшая его излучение) и по тепловому "свечению", которое они излучают по мере формирования и остывания.

Проблема лишь в том, что планеты выделяют тепло очень непродолжительное время, тем самым ограничивая период, когда их можно зафиксировать методом прямого экспонирования. Но постоянный приливный нагрев спутников заставляет их отдавать тепло на протяжении всего периода существования, давая астрономам возможность увидеть такие объекты на небосклоне у звёзд любого возраста.

Степень нагрева, которому подвергаются спутники, будет зависеть от его местоположения. Близкие орбиты приводят к гравитационной борьбе и более ярким изображениям. Хотя слишком близкое расположение к родной планете делу мешает.
"Если расстояние между спутником и планетой будет небольшим, то его разорвёт в клочья и образуется кольцо, подобно тем, что мы наблюдаем близ Сатурна", — разъясняет Питерс. С другой стороны, спутник на чрезмерно большом расстоянии станет слишком холодным и тусклым. Его невозможно будет "сфотографировать".
Насколько же частое явление эти приливно-нагретые спутники? Из 146 лун Солнечной системы четыре крепко привязаны к планетам.

Ио, Европа и Ганимед движутся по орбите Юпитера. Их борьба друг с другом нейтрализует попытки газового гиганта сделать их орбиту круглой. Все три спутника подвергаются определенной форме приливного нагрева, причём самый близкий к Юпитеру спутник Ио испытывает самое сильное воздействие.

"Юпитер, в основном, формирует Ио и нагревает внутреннюю часть спутника за счёт деформации", — говорит Питерс. Эта излишняя энергия испускается Ио, делая луну ярче. Спутник Сатурна Энцелад подвергается аналогичному давлению, когда он взаимодействует с планетой и другими лунами.

Такие спутники учёные пока не обнаруживали за пределами Солнечной системы. Однако орбитальная космическая обсерватория Kepler может обладать чувствительностью, необходимой для поимки таких объектов за пределами Солнечной системы.

"Должно быть по меньшей мере два спутника, в противном случае приливный нагрев будет сходить на нет через короткое время", — говорит Питерс.

В большинстве случаев только ближайшие к планетам луны будут достаточно горячими и яркими, чтобы быть сфотографированными.

Но также они должны быть достаточно большими. Так, Ио в три раза меньше по диаметру, чем Земля. То есть слишком маленький спутник, чтобы его можно было зарегистрировать издалека. По словам Питерс, если бы он был размером с Землю, то был бы достаточно ярким, чтобы его мог поймать телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope).

Впрочем, отлавливать "горячие" спутники чужих миров можно уже сейчас. "Из имеющихся приборов, думаю, "Спитцер" имеет больше всего шансов обнаружить такие объекты", — говорит Питерс. "Кеплер" тоже сможет выявить далекие спутники, разогретые хотя бы до 700 °С. Но исследовательница подчёркивает, что телескоп Джеймса Вебба будет наиболее подходящим прибором, так как он может увидеть небесные тела, температура поверхности которых доходит хотя бы до 27 °С.

Любопытно, что спутники, нагретые не столько звёздами, сколько приливными силами, могут также изменить представление астрономов об обитаемой зоне – области пространства близ звёзд, где на планетах и лунах может существовать жидкая вода. Это понятие позволяет учёным судить о наличии жизни на тех или иных мирах.

Чтобы вода могла находиться на небесном теле в жидком виде, планета или спутник должны быть не слишком горячими и не слишком холодными. Обычно обитаемая зона определяется расстоянием от звезды, но температура на "нагретом" приливными силами спутнике мало зависит от местного солнца.

"Этот обогрев может иметь место на любом расстоянии, хоть на орбите Марса, хоть на орбите Плутона", — говорит Питерс. Поясним, обитаемая зона Солнечной системы простирается близ орбиты Земли. Марс слишком сильно разогрет Солнцем, а до Плутона, наоборот, доходит очень малое количество тепла нашей звезды. Поэтому присутствие жизни там и там маловероятно.

Сейчас астрономы не станут искать планеты, способные породить жизнь, на большом расстоянии от звёзд. Однако в случае приливно-нагретых спутников дальняя дистанция, наоборот, помогает в поиске нужных объектов.

Планета в обитаемой зоне своего солнца может быть не видна из-за света звезды. Но если нужный спутник движется по орбите на большом расстоянии от светила, его обнаружение вызовет меньше трудностей.

Добавим напоследок, что, как Ио и Энцелад, приливно-нагретые спутники за пределами Солнечной системы с большей вероятностью вулканически активны. Такой вулканизм может помочь в создании атмосферы на спутнике, что является ещё одной важной составляющей, необходимой для появления жизни.

Впрочем, у Ио очень тонкая атмосфера. Но, как объясняет Питерс, это связано с небольшими размерами спутника. Ио не хватает силы тяжести, чтобы сохранять существенный слой атмосферы. Но всё может быть иначе у спутника большего размера.
"Нет причин, по которым эти приливно-нагретые объекты не могут быть обитаемы", — заключила Питерс в своём докладе на ежегодном собрании Американского астрономического сообщества (AAS). Подробне о выводах Питерс и её коллег рассказывает препринт статьи на сайте arXiv.org.