Odkrycie olbrzymich egzoksiężyców wokół planet Kepler-1625b i Kepler-1708b zostało poddane w wątpliwość.
Można założyć, że wokół gwiazd w naszej Drodze Mlecznej krążą planety – a księżyce wokół tych egzoplanet nie powinny być rzadkością. Jednak ich wykrycie jest trudne. Do tej pory tylko dwie z ponad 5300 znanych egzoplanet mają potwierdzone księżyce. Nowa analiza danych pokazuje, że naukowe tezy rzadko są jednoznaczne – za każdą wynikiem kryje się większy lub mniejszy stopień niepewności, a droga do prawdy często przypomina thriller.
Podczas obserwacji planet Kepler-1625b i Kepler-1708b za pomocą teleskopów kosmicznych Keplera i Hubble’a naukowcy po raz pierwszy odkryli ślady takich księżyców. Jednak nowe badanie budzi teraz wątpliwości co do wcześniejszych twierdzeń. Naukowcy z Instytutu Badań Układu Słonecznego Maxa Plancka (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung – MPS) w Getyndze oraz Obserwatorium Sonneberg (Astronomiemuseum der Sternwarte Sonneberg) w Sonneberg w Niemczech w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Astronomy” donoszą, że interpretacja obserwacji „dotyczących wyłącznie planet” jest bardziej rozstrzygająca. Do swojej analizy naukowcy wykorzystali nowo opracowany algorytm komputerowy o nazwie Pandora, który ułatwia i przyspiesza poszukiwanie egzoksiężyców. Dodatkowo zbadali, jakiego rodzaju egzoksiężyce można znaleźć podczas obserwacji astronomicznych prowadzonych w przestrzeni kosmicznej. Ich odpowiedź jest dość zaskakująca.
W naszym Układzie Słonecznym fakt, że planeta jest okrążana przez jeden lub więcej księżyców, jest raczej regułą niż wyjątkiem: oprócz Merkurego i Wenus wszystkie inne planety mają takich towarzyszy. W przypadku gazowego olbrzyma Saturna naukowcy znaleźli do dziś 140 naturalnych satelitów. Naukowcy uważają zatem za prawdopodobne, że planety w odległych układach gwiazdowych również posiadają księżyce. Do tej pory jednak dowody na istnienie takich egzoksiężyców znaleziono tylko w dwóch przypadkach: planet Kepler-1625b i Kepler-1708b. Nie jest to zaskakujące, ponieważ odległe satelity są w naturalnym sposób znacznie mniejsze niż ich macierzyste światy, co sprawia, że znacznie trudniej je znaleźć. Ponadto przeczesywanie danych obserwacyjnych tysięcy egzoplanet w poszukiwaniu księżyców jest niezwykle czasochłonne.
Aby ułatwić i przyspieszyć takie wyszukiwanie, autorzy nowego badania opracowali i zoptymalizowali algorytm wyszukiwania skoncentrowany na poszukiwaniu egzoksiężyców. Swoją metodę opublikowali zeszłym roku, a algorytm jest dostępny dla wszystkich badaczy jako otwarty kod źródłowy. Po zastosowaniu do danych obserwacyjnych z Kepler-1625b i Kepler-1708b wyniki były zdumiewające. Chcieliśmy potwierdzić odkrycie egzoksiężyców wokół Kepler-1625b i Kepler-1708b – powiedział pierwszy autor nowego badania, naukowiec z MPS, dr René Heller. Ale niestety – nasze analizy pokazują, że jest inaczej – dodał.
Zabawa w chowanego egzoksiężyca
Pięć lat temu planeta podobna do Jowisza, Kepler-1625b, trafiła na pierwsze strony gazet. Naukowcy z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku donieśli o wyraźnych dowodach na istnienie ogromnego księżyca krążącego na jej orbicie, który przyćmiłby wszystkie księżyce w Układzie Słonecznym. Naukowcy przeanalizowali dane z teleskopu kosmicznego Keplera, który podczas swojej pierwszej misji w latach 2009–2013 zaobserwował ponad sto tysięcy gwiazd i odkrył ponad dwa tysiące egzoplanet. Jednak po odkryciu kandydata na egzoksiężyc w 2018 roku, w kolejnych latach astronomowie musieli zająć się kosmiczną wersją zabawy w chowanego. Najpierw kandydat zniknął po oczyszczeniu danych Keplera z szumu systematycznego, jednak jego ślady znaleziono ponownie w dalszych obserwacjach za pomocą teleskopu Hubble’a. W zeszłym roku ten niezwykły kandydat na egzoksiężyc zyskał towarzystwo: według nowojorskich naukowców inny olbrzymi księżyc, znacznie większy od Ziemi, krąży wokół planety wielkości Jowisza – Kepler-1708b.
Właściwe dopasowanie
Egzoplanety znajdują się tak daleko, że nie możemy zobaczyć ich bezpośrednio, nawet za pomocą najpotężniejszych nowoczesnych teleskopów – wyjaśnia dr René Heller. Zamiast tego, teleskopy rejestrują wahania jasności odległych gwiazd, które nazywamy krzywą blasku. Następnie naukowcy szukają oznak księżyców w tych krzywych blasku. Jeżeli egzoplaneta przechodzi przed swoją gwiazdą widzianą z Ziemi, przyciemnia gwiazdę o niewielki ułamek. Zdarzenie to nazywane jest tranzytem i powtarza się regularnie wraz z okresem orbitalnym planety wokół gwiazdy. Egzoksiężyc towarzyszący planecie miałby podobny efekt przyciemnienia. Jego ślad na krzywej blasku byłby nie tylko znacznie słabszy, ale też – ze względu na ruch księżyca i planety wokół ich wzajemnego środka ciężkości – to dodatkowe przyciemnienie krzywej blasku przebiegałoby według skomplikowanego wzoru. Należy też wziąć pod uwagę inne efekty, takie jak zaćmienia planety i księżyca, naturalne zmiany jasności gwiazdy oraz inne źródła szumu generowanego podczas pomiarów teleskopowych.
Aby jednak wykryć księżyce, zarówno naukowcy z Nowego Jorku, jak i ich niemieccy koledzy najpierw obliczyli wiele milionów „sztucznych” krzywych blasku dla wszystkich możliwych rozmiarów, wzajemnych odległości i orientacji orbitalnych planet i księżyców. Następnie algorytm porównuje te symulowane krzywe blasku z obserwowaną krzywą blasku i szuka najlepszego dopasowania. Naukowcy z Getyngi i Sonnebergu wykorzystali swój algorytm open-source Pandora, zoptymalizowany pod kątem poszukiwania egzoksiężyców, który może rozwiązać to zadanie o kilka rzędów wielkości szybciej niż poprzednie algorytmy.
Brak śladów księżyców
W przypadku planety Kepler-1708b niemieccy naukowcy odkryli teraz, że scenariusze bez księżyca mogą wyjaśniać dane obserwacyjne równie dokładnie, jak te z księżycem. Prawdopodobieństwo istnienia księżyca na orbicie planety Kepler-1708b jest wyraźnie niższe niż wcześniej zakładano – powiedział Michael Hippke z Obserwatorium Sonneberg, współautor nowego badania. Dane te nie sugerują istnienia egzoksiężyców wokół Kepler-1708b – dodał Hippke.
Wiele wskazuje na to, że Kepler-1625b jest również pozbawiony olbrzymiego towarzysza. Tranzyty tej planety przed jej gwiazdą były wcześniej obserwowane za pomocą teleskopów Keplera i Hubble’a. Niemieccy naukowcy twierdzą teraz, że chwilowa zmiana jasności gwiazdy, efekt znany jako pociemnienie krawędzi gwiazdy, ma kluczowy wpływ na proponowany sygnał egzoksiężyca – np. końce tarczy słonecznej wydają się ciemniejsze niż jej środek. Jednak w zależności od tego, czy patrzy się na gwiazdę macierzystą Keplera-1625b przez teleskop Keplera czy Hubble’a, efekt zaciemnienia wygląda inaczej. Dzieje się tak, ponieważ teleskopy Keplera i Hubble’a są czułe na różne długości fal odbieranego światła. Naukowcy z Getyngi i Sonnebergu twierdzą teraz, że ich modelowanie tego efektu wyjaśnia dane bardziej jednoznacznie niż istnienie olbrzymiego egzoksiężyca.
Ich nowe, obszerne analizy pokazują, że algorytmy poszukiwania egzoksiężyców często generują fałszywie pozytywne wyniki. Okazuje się, że wielokrotnie „odkrywają” księżyce, podczas gdy w rzeczywistości jest to tylko planeta tranzytująca gwiazdę macierzystą. W przypadku krzywej blasku takiej jak ta Keplera-1625b odsetek fałszywych trafień wynosi prawdopodobnie około 11%. Wcześniejsze twierdzenie naszych kolegów z Nowego Jorku o istnieniu egzoksiężyców wynikało z poszukiwań księżyców wokół kilkudziesięciu egzoplanet – powiedział Heller. Zgodnie z naszymi szacunkami fałszywe pozytywne odkrycia nie są wcale zaskakujące, ale można się ich spodziewać – dodał.
Dziwne satelity
Naukowcy wykorzystali swój algorytm do przewidywania typów rzeczywistych egzoksiężyców, które mogłyby być wyraźnie wykrywalne w krzywych blasku misji kosmicznych, takich jak Kepler. Według ich analizy tylko szczególnie duże księżyce, krążące wokół swojej planety na szerokiej orbicie, są wykrywalne przy użyciu obecnej technologii. W porównaniu ze znanymi księżycami naszego Układu Słonecznego wszystkie zbadane egzoksiężyce były niezwykle nietypowe: 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, takich jak misja PLATO, z pewnością będą niezwykłe i ekscytujące do zbadania – powiedział Heller.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: MPG
Na ilustracji: Wizja artystyczna gazowego olbrzyma krążącego wokół gwiazdy podobnej do Słońca, czego przykładem jest Kepler-1625b. Źródło: NASA/JPL-Caltech
