Vi skulle älska att hitta en annan planet som jorden. Inte precis som jorden; det är lite löjligt och förmodligen lite mer science fiction än vetenskap. Men tänk om vi kunde hitta en som liknar jorden tillräckligt för att få oss att undra?
Hur kunde vi hitta det? Vi går vidare från ett planethittningsuppdrag till nästa, och sammanställer en lista över planeter som kan vara 'jordliknande' eller 'potentiellt beboeliga'. Snart kommer vi att ha rymdteleskopet James Webb och dess förmåga att studera exoplanetatmosfärer för tecken på liv och beboelighet.
Men en ny studie fokuserar på exomuner och den roll de spelar i en planets beboelighet. Om vi hittar en månliknande exomoon i en stabil omloppsbana runt sin planet, kan det vara bevis på att planeten i sig är mer jordlik? Kanske, men vi är inte där än.
Forskare tror att det stabila förhållandet mellan jorden och månen är en del av det som gör jorden beboelig. För det första håller månen jordens axiella lutning stabil, vilket ger ett stabilt klimat. Forskare vet också att många faktorer kan störa långsiktig planet-månestabilitet. I tidningen ' Exomoons in Systems with a Strong Perturber: Applications to ? Cen AB ” författarna utforskar omloppsförhållandena mellan månar, deras planeter och stjärnor. Huvudförfattaren är Billy Quarles, en astrofysiker och planetdynamiker från Georgia Tech. Uppsatsen publiceras i The Astrophysical Journal.
I vårt eget solsystem finns det många fler månar än det finns planeter. Det finns i genomsnitt 20 månar per planet, till stor del tack vare Jupiter och Saturnus och deras kombinerade 160+ månar. Merkurius och Venus har ingen, jorden har bara en och Mars har bara två, som sannolikt är fångade asteroider.
Men vårt solsystem är inte representativt för andra system. Vår har bara en enda stjärna. När vi tittar ut på natthimlen är mer än 80 % av ljuspunkterna som vi ser faktiskt ett par stjärnor – eller fler – grupperade tillsammans. Binära stjärnsystem kan vara värd för planeter, och planeterna kan kretsa kring dessa system på två sätt. Circumstellar betyder att en planet bara kretsar runt en av stjärnorna, och cirkumbinär betyder att en planet kretsar runt båda stjärnorna.
Tidigare forskning, inklusive några av huvudförfattaren till denna studie, Billy Quarles, har visat att gigantiska cirkumbinära planeter kan vara värd för exomuner. Men detsamma har inte hittats för cirkumstellära planeter i flera stjärnsystem. Det är en del av syftet med denna studie.
Forskarna fokuserade på vår närmaste stjärngranne, Centauri-systemet. Centauri är 'bara' 4,37 ljusår bort, vilket är nära i astronomiska termer. Men även på det avståndet är planeterna svåra att upptäcka. Och månar? Nästan omöjligt.
'Vi vet att de finns där,' sa studiens medförfattare Siegfried Eggl i a pressmeddelande . 'Vi behöver bara titta hårdare. Men eftersom det är så svårt att se dem, identifierade vi ett sätt att upptäcka dem genom effekten de har på en planet med hjälp av transittidsvariationer.'
'Vi vet att planeterna, stjärnorna och månarna i vårt solsystem interagerar gravitationsmässigt som ett gigantiskt brädspel,' sa Eggl. 'Månen interagerar tidvatten med jorden och saktar ner sin egen rotation, men solen är också där och drar i båda. En andra stjärna skulle fungera som ytterligare en yttre störning för systemet.'
Forskarna använde Transit-Timing Variation (TTV) för att söka efter månar i Alpha Centauri-systemet. Alpha Centauri är ett trippelstjärnsystem, och minst två planeter, som båda kretsar runt stjärnan Proxima Centauri. Proxima Centauri är en röd dvärg och de två planeterna är Proxima Centauri b och Proxima Centauri c. PC b är en jordisk planet med cirka 1,17 jordmassor, och PC c är en superjord, eller kanske en mini-Neptunus.
Denna infografik jämför planetens omloppsbana runt Proxima Centauri (Proxima b) med samma region i solsystemet. Proxima Centauri är mindre och kallare än solen och planeten kretsar mycket närmare sin stjärna än Merkurius. Som ett resultat ligger det väl inom den beboeliga zonen, där flytande vatten kan finnas på planetens yta. Bildkredit: Palereddot.org
De TTV-metoden mäter de små bogserbåtar som kroppar utövar på varandra när de utför sina orbitala verksamheter. Det används oftast för att hitta exoplaneter. När en planet passerar framför sin stjärna dämpas stjärnljuset lite ur vårt perspektiv. Om ett annat föremål utövar en kraft på planeten, kommer tidpunkten för det dämpande stjärnljuset att variera.
Om planeten har en måne, kommer månen att utöva en liten kraft på planeten, vilket får planeten att vingla lite. Den wobblingen kan vara tillräckligt för att ändra tidpunkten för stjärnljuset som blockeras av planeten. Att mäta dessa små förändringar är kärnan i TTV.
I ett system som Alpha Centauri, med flera planeter och stjärnor, händer det mycket och många bogserbåtar att reda ut. Planeterna i AC är i en cirkumbinär bana, vilket betyder att banorna är mer elliptiska än jordens till exempel. Så några av tidsvariationerna orsakas av planeten och dess elliptiska bana. Andra av tidsvariationerna kan bero på exomoons.
Om observatörer kan ta reda på vilka av tidsvariationerna som beror på exomoons, då kan de sluta sig till några av egenskaperna hos både planeten och dess måne. 'Detta är ett indirekt bevis på en måne eftersom det inte finns något annat som kan dra på planeten på det sättet,' sa Eggl.
Det är svårt att reta ut alla variabler i ett flerstjärnigt system som Alpha Centauri. De elliptiska banorna gör det svårare eftersom planeten och dess månar(ar) kan röra sig i olika hastigheter. 'När månar och planeter har lätt elliptiska banor, rör sig de inte alltid med samma hastighet. Ju mer excentrisk en bana är, desto fler frekvenser kan exciteras, och vi ser att dessa resonanser blir allt viktigare, säger Eggl.
Den här konstnärens intryck visar planeten Proxima b som kretsar kring den röda dvärgstjärnan Proxima Centauri, den stjärna som ligger närmast solsystemet. Dubbelstjärnan Alpha Centauri AB förekommer också på bilden mellan planeten och självaste Proxima. Proxima b är lite mer massiv än jorden och kretsar i den beboeliga zonen runt Proxima Centauri, där temperaturen är lämplig för att flytande vatten ska finnas på dess yta. Kredit: ESO/M. Kornmesser
Vid någon tidpunkt kan resonanserna överlappa varandra och göra hela systemet lite kaotiskt. Men även i kaoset bör det finnas vissa perioder av stabilitet. 'Vid någon tidpunkt kommer det att finnas överlappande resonanser som kan leda till kaos i systemet. I vår studie har vi dock visat att det finns tillräckligt med stabil 'fastighet' för att förtjäna en grundlig sökning efter månar runt planeter i dubbelstjärniga system, säger medförfattaren Eggl.
Denna studie är inriktad på den stabila fastigheten i en planets bana i ett trekroppssystem, där det finns två stjärnor och en planet. Där planeten är stabil finns det som en annan kapslad trekroppshierarki mellan binärstjärnan, planeten och dess måne. Det finns mer: 'Dessutom kretsar en sekundär stjärna om massacentrum för trekroppssystem på ett sådant avstånd så att planetbanan förblir stabil för att producera en hierarkisk fyrkroppskonfiguration', skriver författarna. Författarna säger att man kan se hela arrangemanget som två trekroppsproblem som är par tillsammans.
Huvudförfattaren Quarles använde havets tidvatten här på jorden för att förklara sina ansträngningar. 'Den stora skillnaden med binära system är att följeslagaren fungerar som tidvattnet på stranden, där den med jämna mellanrum kommer in och etsar bort stranden. Med en mer excentrisk binär bana tas en större del av den stabila 'fastigheten' bort. Detta kan hjälpa mycket i vårt sökande efter månar i andra stjärnsystem.'
En av de centrala frågorna bakom detta arbete är inte bara att identifiera exomuner utan att bestämma deras livslängd. Månens livslängd kan hjälpa en planets långsiktiga beboelighet. Det är vad som har hänt här på jorden. Men det finns många anledningar till att en måne kan kastas ut, eller fly, från planetens omloppsgrepp. Excentriska banor i ett binärt stjärnsystem är en av de främsta anledningarna. En av stjärnorna i ett binärt system fungerar som en störning som driver månen bort från sin planet.
Månen spelar en stor roll för jordens beboelighet. Detsamma gäller sannolikt i andra solsystem. Bildkredit: NASA SVS/Ernie Wright
Vetenskapliga modeller visar att förlusten av tidvattenkrafter mellan en planet och dess måne kan befria en satellit från dess värdplanet. När teamet tillämpade dessa modeller på Alpha Centauri-systemet fann de att stjärnan Alpha Centauri A fungerar som en pertuber och leder till mer excentricitet i omloppsbanan för den jordliknande planeten Alpha Centauri B. Det kan leda till att alla månar kretsar runt jorden. planeten blir instabil på 10 Gyr tidsskalor. Men inte alltid. De fann också att exomuner kan motstå några av de excentriska krafterna och förbli stabila.
Så vad betyder allt detta? Vad leder det till?
Genom att studera TTV för den jordanaloga planeten i Alpha Centauri utvecklade teamet begränsningar för hur en jord-månekonfiguration skulle kunna se ut i andra binära solsystem. TTV:n för en Earth-Moon-kombo i andra system kan vara mycket liten. Det kan vara lika litet som några av de TTV som upptäckts av Kepler-uppdraget i avlägsna solsystem. Vissa av dessa upptäckter är sannolikt astronomiskt brus, andra är förmodligen bevis på exomuner.
Att hitta exomuner och förstå deras livslängd kan visa sig vara en kritisk metod för att utvärdera planeter för potentiell beboelighet, där uppe med en planets position i en stjärnas beboeliga zon.
'Om vi kan använda den här metoden för att visa att det finns andra månar där ute, så finns det förmodligen andra system som liknar vårt,' sa Quarles. 'Månen är sannolikt också kritisk för utvecklingen av livet på vår planet, för utan månen skulle jordens axellutning inte vara lika stabil, vars resultat skulle vara skadligt för klimatstabiliteten. Andra peer-reviewed studier har visat sambandet mellan månar och möjligheten till komplext liv.'
Mer:
- Pressmeddelande: Jordliknande planeter i andra solsystem? Leta efter månar.
- Publicerad Forskning: Exomoons in Systems with a Strong Perturber: Applications to ? Cen AB
- Universum idag: Första Exomoon hittad! En måne i storleken Neptunus som kretsar kring en planet i storleken Jupiter
