Вселенная сегодня недавно имел честь исследовать множество научных дисциплин, включая ударные кратеры, поверхности планет, экзопланеты, астробиологию, физику Солнца, кометы, атмосферы планет, планетарную геофизику, космохимию, метеориты, радиоастрономию, экстремофилы, органическую химию, черные дыры, криовулканизм, планетарная защита, темная материя, сверхновые и нейтронные звезды, а также то, как они индивидуально и коллективно способствуют нашему лучшему пониманию нашего места во Вселенной.
Здесь, Вселенная сегодня обсуждает растущую область экзолун с доктором Дэвидом Киппингом, доцентом кафедры астрономии Колумбийского университета, а также со своими аспирантами Бенджамином Кассезе и Дэниелом Яхаломи, о важности изучения экзолун, преимуществах и проблемах, потенциальных кандидатах в экзолуны, о том, как экзолуны могут научить нас поиску жизни за пределами Земли, и дает советы будущим студентам, желающим продолжить изучение экзолун. Итак, в чем важность изучения экзолун?
Доктор Киппинг рассказывает Вселенная сегодня«Есть четыре причины сделать это: 1) Насколько распространены миры, подобные Земле? Экзолуны могут внести значительный вклад в космическую перепись обитаемых тел; 2) Насколько уникальна система Земля-Луна? Считается, что Луна сыграла важную роль в формировании и эволюции Земли, и поэтому, когда мы обнаруживаем близнеца Земли, мы, естественно, должны задаться вопросом, есть ли у нее близнец Луны».
Доктор Киппинг продолжает: «3) Каковы каналы формирования Луны? В Солнечной системе мы видим по крайней мере три пути: захват (например, Тритон), удар (например, Луна) и формирование диска (например, галилеевы спутники). Мы хотели бы понять, существуют ли другие методы, а также каковы детали и ограничения трех известных нам методов; 4) Когда мы указываем на HWO [Habitable Worlds Observatory] на близнеце Земли луна, похожая на Луну, была бы неразрешимой, и поэтому ее свет будет смешиваться со светом планеты и потенциально создавать ложноположительные биосигнатуры. Знание о лунах жизненно важно для нашей долгосрочной мечты о поиске жизни».
Наряду с Луной, наша Солнечная система состоит из более чем 200 спутников, но лишь немногие из них предназначены для астробиологических исследований, в первую очередь два галилеевых спутника Юпитера, Европа и Ганимед, и два спутника Сатурна, Энцелад и Титан, но все они предоставили убедительные доказательства наличия внутренних океанов жидкой воды. Помимо выяснения уникальности системы Земля-Луна, экзолуны могут рассказать нам, уникальна ли наша собственная Солнечная система, учитывая широкий спектр типов, форм и размеров лун, а особенно их формирование и эволюцию.
Одна из возможных причин уникальности Земли и Луны связана с приливными силами, вызванными притягиванием двух тел друг к другу, что поддерживает относительно стабильную ось Земли. В результате Земля очень слегка колеблется, как волчок, в течение 26 000 лет, а это означает, что наклон ее оси меняется всего на несколько градусов за это время, что позволило нашей планете поддерживать относительно стабильный климат, позволяя жизни как выжить, так и выжить. и процветать. Это контрастирует с меньшими планетами, такими как Марс, которые сильно раскачиваются в течение сотен тысяч или миллионов лет, что приводит к значительным изменениям наклона ее оси от 15 до 45 градусов, что приводит к смещению ее полярных шапок и резким изменениям климата. Для контекста: наклон осей Земли и Марса в настоящее время составляет около 25 градусов. Но, учитывая все причины, перечисленные доктором Киппингом, каковы некоторые преимущества и проблемы изучения экзолун?
«Некоторые преимущества заключаются в том, что обнаружение луны автоматически расскажет нам больше о планете, на которой она находится», — говорит Кассезе. Вселенная сегодня. «Например, мы могли бы сразу сказать, что планета не претерпела каких-либо резких изменений орбиты из-за рассеяния на других планетах, поскольку это, вероятно, лишило бы Луну. Мы также можем помочь использовать орбиту Луны для измерения массы планеты и даже звезды, хотя есть и другие способы измерить и то, и другое».
«Луны очень трудно обнаружить, и это действительно доводит данные, которые мы получаем, до предела», — говорит Яхаломи. Вселенная сегодня. «В этом и сложность, и возможность. В погоне за обнаружением самых слабых сигналов в этих наборах данных нам необходимо разработать новые методы и приемы чрезвычайно точного анализа данных. Я работаю над созданием новой аналитической структуры для изучения гравитационного воздействия, которое луны оказывают на свои планеты-хозяева. Мы работаем над методами различения колебаний, вызванных лунами и соседними планетами в той же звездной системе. Без цели обнаружения лун мы, вероятно, не были бы мотивированы разрабатывать эти статистические методы, которые затем (надеюсь) могут иметь более широкое применение».
На момент написания этой статьи НАСА подтвердило существование 5678 экзопланет, от земных (скалистых) миров до газовых гигантов, намного больших, чем Юпитер. Напротив, существование экзолун где-либо в космосе не подтверждено, вполне возможно, из-за сложности их обнаружения, как отметил Яхаломи. Из 5678 подтвержденных экзопланет 4193 были подтверждены с использованием метода транзита, который обнаруживает чрезвычайно небольшие провалы (приблизительно 1 процент) в звездном свете, когда экзопланета проходит перед своей родительской звездой или проходит транзитом.
Эти провалы в звездном свете настолько малы, что астрономам требуется несколько транзитов, чтобы подтвердить его существование. Поэтому попытка обнаружить экзолуны, которые могут быть намного меньше экзопланеты, вокруг которой они вращаются, еще сложнее. Хотя в настоящее время нет подтвержденных экзолун, какие интересные кандидаты на экзолуны, в том числе кандидаты на экзолуны, изучили эти исследователи?
«Два кандидата, которые мы объявили, — это Kepler-1625 bi и Kepler 1708 bi», — говорит доктор Киппинг. Вселенная сегодня. «Они оба вращаются вокруг газовых гигантов на относительно большом расстоянии от своей звезды, и оба удивительно велики: 1625b-i — это около Нептуна, а 1708b-i — мини-Нептун. В остальном они совершенно разные: 1708b вращается по узкой орбите, подобной Европе, которая, по-видимому, компланарна орбите планеты. Напротив, 1625b-i выглядит наклоненной и находится на гораздо более широкой орбите, больше напоминая захваченную луну. Для 1625b-i мы имеем массу благодаря изменениям времени прохождения главной планеты, и она согласуется с нашими измерениями радиуса, полученными по падению Луны перед звездой. Для 1708b-i у нас есть только провал (всего два прохождения), однако здесь хорошо измерен уровень ложноположительных результатов, составляющий ~1%, что дает нам полную уверенность в сигнале».
Как уже отмечалось, из более чем 200 спутников нашей солнечной системы лишь немногие в настоящее время являются объектами астробиологии и поиска жизни за пределами Земли. К ним относятся два спутника Юпитера, Европа и Ганимед, и два спутника Сатурна, Энцелад и Титан. Все четыре представили доказательства наличия внутренних океанов жидкой воды, причем Титан был единственным, на поверхности которого были жидкие тела, хотя они и состояли из жидкого метана и этана, а не из жидкой воды.
Европа ранее была исследована космическим аппаратом NASA Galileo, который получил невероятные изображения небольшой поверхности луны. Однако космический аппарат агентства Europa Clipper, который запустится в октябре этого года, проведет самое глубокое исследование потенциала обитаемости Европы, когда прибудет в 2030 году. Он совершит 50 пролетов мимо небольшой луны, отправив обратно изображения ее поверхности с высоким разрешением, используя свой набор мощных инструментов, чтобы определить, может ли ее внутренний жидкий водный океан содержать жизнь, какой мы ее знаем, какой мы ее не знаем.
Ганимед также изучался космическим аппаратом NASA Galileo, но космический аппарат Европейского космического агентства JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), который в настоящее время находится на пути к Юпитеру с запланированным прибытием в 2031 году, надеется также провести самое глубокое исследование, касающееся потенциала обитаемости Ганимеда. Что касается луны Сатурна, Энцелада и Титана, то обе они были нанесены на карту и подробно изучены космическим аппаратом NASA Cassini в ходе его 13-летней миссии по изучению Сатурна и его многочисленных лун.
В это время Кассини наблюдал и пролетал через гейзеры, вытекающие из южного полярного региона Энцелада, указывая на жидкий водный океан под его ледяной корой, а также посадил зонд на поверхность Титана, обнаружив округлые валуны, возможно, образованные текущим жидким метаном или этаном. Кроме того, данные свидетельствуют о том, что Титан обладает внутренним жидким океаном, состоящим из воды, в отличие от метана и этана на его поверхности. Учитывая потенциальную обитаемость этих лун, чему могут научить нас экзолуны о поиске жизни за пределами Земли?
«Есть по крайней мере два способа, которыми луны могут влиять на жизнь в других частях галактики», — говорит Кассезе. Вселенная сегодня«Во-первых, луны могут влиять на свои планеты и стабилизировать их. [see above]. Во-вторых, спутники сами по себе могут быть прекрасным местом для жизни. Некоторые из крупнейших запасов жидкой воды в нашей солнечной системе существуют на таких лунах, как Европа, и вполне возможно, что на других лунах есть аналогичные ингредиенты, которые, по нашему мнению, необходимы для жизни. Если бы луны были так же распространены, как планеты, потенциально обитаемая площадь галактики была бы намного больше, чем мы сейчас оцениваем».
Яхаломи рассказывает Вселенная сегодня«Из того, что мы в настоящее время знаем о формировании планет и из нашей солнечной системы, где есть сотни лун, вокруг многих экзопланет, которые мы нашли, действительно должны быть экзолуны. Поэтому, если мы обнаружим, что экзолун нет, это покажет, что в нашей Солнечной системе есть что-то уникальное и чего-то не хватает в нашем понимании формирования планет. Поскольку в настоящее время мы знаем только о жизни на Земле, понимание более широкого контекста планетарной демографии и, таким образом, лучшее понимание того, насколько общей или уникальной является наша Солнечная система, может помочь нам в понимании вероятности жизни за пределами Земли».
Как и в области экзопланет, изучение экзолун включает в себя множество научных направлений и дисциплин для расшифровки огромных объемов данных, включая астрофизику, информатику, планетарную геологию, планетарные атмосферы, науку о данных, и это лишь некоторые из них. Кроме того, для обнаружения экзолун необходимы мощные инструменты, такие как вышеупомянутая Обсерватория обитаемых миров, учитывая их бесконечно малые размеры в данных. Именно благодаря этому постоянному сотрудничеству между учёными и использованию ключевых инструментов учёные когда-нибудь смогут подтвердить существование первой экзолуны в космосе. Итак, какой совет исследователи могут дать будущим студентам, желающим продолжить изучение экзолун?
«Это увлекательная и быстро развивающаяся область», — говорит доктор Киппинг. Вселенная сегодня. «Мы наконец-то вступили в эпоху, когда мы можем обнаруживать луны, похожие на те, что находятся в Солнечной системе, с помощью JWST. Кроме того, быстро растет интерес к обнаружению лун, очень не похожих на луны Солнечной системы, например лун вокруг свободно плавающих планет, либо с помощью JWST молодых систем в Орионе (например, Google JUMBOs), либо с помощью будущего римского телескопа с методами микролинзирования. Мы собираемся убедительно преодолеть порог обнаружения».
Как экзолуны помогут нам лучше понять наше место во Вселенной в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и вот почему мы — наука!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и смотреть вверх!
