Księżyców w Układzie Słonecznym są setki. Większość z nich nie obiega planet

Księżycami nazywamy ciała niebieskie powstałe w sposób naturalny, a które obiegają inne ciała niebieskie, takie jak planety, planety karłowate, a także asteroidy. Zwykle księżyc jest ciałem o masie znacznie mniejszej od masy obieganego ciała, ale istnieją układy podwójne, gdzie ten stosunek jest niewielki. Dla przykładu Charon jest niespełna 8 razy mniej masywny od Plutona. Układ Ziemia - Księżyc, również czasem określa się mianem podwójnego, choć tutaj nasz naturalny satelita ma już około 80 razy mniejszą masę. To jednak i tak niewielka różnica mas, gdy porównamy nasz układ z systemami księżyców planet gigantów. Tam masy księżyców są co najmniej tysiące, dziesiątki tysięcy razy mniejsze od masy macierzystej planety.

Astronomowie dotychczas skatalogowali prawie 300 księżyców obiegających planety i planety karłowate w Układzie Słonecznym. Znacznie więcej księżyców, czy też układów podwójnych, spodziewamy się w przypadku asteroid. Do tej pory znano około 500 takich podwójnych asteroid, jednakże to kropla w morzu oczekiwań astronomów, gdyż przypuszczają oni, że 1/6 wszystkich asteroid w Układzie Słonecznym powinna tworzyć układy podwójne lub wielokrotne. A znanych nam asteroid jest ponad milion (ponad połowa jest ponumerowana). Można więc przypuszczać, że jakikolwiek projekt nakierowany na poszukiwanie asteroid, które mają księżyce, zaowocuje dużą liczbą pozytywnych detekcji.

Orbity ponad 150 tysięcy asteroid, dla których znamy dokładnie orbity. Są tu trzy podstawowe grupy obiektów, oznaczone na niebiesko asteroidy z wnętrza Układu Słonecznego, te które mają orbity bliskie Ziemi. Na zielono pokazano asteroidy pasa pomiędzy Marsem i Jowiszem, a czerwony kolor to asteroidy na orbicie Jowisza. (fot: ESA)

Jak odkrywać asteroidy z księżycami?

Można zrealizować projekt wypraw pojazdami kosmicznymi w stronę pasa asteroid licząc, że wśród mijanych obiektów będą układy podwójne. Tak stało się w przypadku sondy Lucy, która całkowicie przypadkiem odkryła, że asteroida Dinkinesh jest nie tylko układem podwójnym, ale i potrójnym. Na dodatek tworzące go księżyce asteroidy stykają się ze sobą tworząc obiekt kontaktowy.

Wyprawiliśmy się też do innych asteroid podwójnych. W 1993 roku sonda Galileo odkryła niewielkiego satelitę asteroidy 243 Ida. Nazwano go Daktylem. Misja DART, która we wrześniu 2022 roku doprowadziła do pierwszego kontrolowanego zderzenia z asteroidą, skierowana była w stronę układu podwójnego Didymos-Dimorfos. Ten eksperyment, który miał na celu przetestowanie naszych obecnych możliwości do zmiany orbity niewielkiego ciała niebieskiego, ujawnił także wiele informacji na temat takich satelitarnych obiektów. Teraz przypuszcza się, że wiele księżyców asteroid może mieć strukturę kupy gruzu.

Wizualizacja układu podwójnego Didymos-Dimorfos i sondy Hera, która w ruszy jesienią w 2024 w kierunku tych asteroid. (fot: ESA)

Jednak niezależnie od tego jak zbudowana będzie asteroida-księżyc w podwójnym lub wielokrotnym układzie, jeśli chcemy potwierdzić teorię dotyczącą obfitości takich obiektów w Układzie Słonecznym, trzeba je odkrywać w dużej liczbie. I misje sond nie są tu rozwiązaniem, te przede wszystkim przydadzą się do potwierdzenia istnienia układu podwójnego.

Księżyce asteroid możemy wykryć za pomocą teleskopów, które są w stanie mierzyć pozycje obiegających się ciał na tyle precyzyjnie, by potwierdzić, że są one ze sobą związane grawitacyjnie. Taką precyzją dysponuje teleskop kosmiczny Gaia, który pracuje już od ponad 10 lat na orbicie w okolicy punktu L2. W podobnym miejscu co Webb, dzięki czemu ma niezakłócony widok większości nieba. Gaia nie wykonuje tylko pojedynczych obserwacji, ale wielokrotnie mapuje dany rejon nieba, dzięki czemu mamy wielokrotne obserwacje asteroid.

20 razy dokładniejsze pomiary niż standardowo

Gaia dzięki wzrastającej liczbie obserwacji jest w stanie zapewnić kolejne rewizje katalogów z coraz większą liczbą obiektów o znanych pozycjach, a także większej liczbie parametrów je opisujących. Najnowszy katalog numer 3 (Gaia DR3), którego ostateczna wersja została upubliczniona w 2022 r., zawiera 1,5 miliarda źródeł o znanej astrometrii (pozycji na niebie). Wśród tych obiektów są gwiazdy, galaktyki, ale tez asteroidy Układu Słonecznego.

W trzeciej wersji katalogu znalazły się dokładne pozycje i ruch własny dla 156 823 asteroid. Teraz astronomowie poprawili te wyliczenia, zwiększając ich precyzję ponad 20-krotnie. To pozwoliło dostrzec układ podwójne właśnie na podstawie porównania ruchu dwóch znajdujących się blisko siebie na zdjęciach obiektów. Przypomina to trochę poszukiwanie planet pozasłonecznych poprzez obserwacje ruchu gwiazdy wokół środka masy układu, który ze względu na znaczącą masę planety nie znajduje się dokładnie w centrum gwiazdy. Jednak tym razem widzimy oba obiekty, co zapewnia jeszcze precyzyjniejsze pomiary.

Teleskop Gaia dla asteroid mierzy takie paramatery jak pozycje i wynikające z nich orbita, a także jasność i podstawowe dane oa składzie chemicznym. Z danych dotyczących pozycji daje sie wywnioskować, czy dana asteroida ma towarzyszący jej księżyc. (fot: ESA)

Z tej analizy wywnioskowano, że 352 asteroid z tysięcy obserwowanych przez Gaia ma prawdopodobnie powiązanych grawitacyjnie towarzyszy. A ponieważ zwykle są to układy, gdzie stosunek mas jest znacznie mniejszy od jednego, to te towarzyszące obiekty można uznać za księżyce.

Dzięki obserwacjom teleskopu Gaia liczba znanych nam układów podwójnych asteroid zwiększyła się do 850. To wciąż niewiele, ale jak podkreśla Luana Liberato z Obserwatorium Wybrzeża Lazurowego, która kieruje projektem poszukiwania podwójnych asteroid - to odkrycie pokazuje, że jest tam wiele księżyców asteroid, które tylko czekają, by je znaleźć.

Teraz astronomowie czekają na czwartą rewizję katalogu Gaia (DR4), która zwiększy jeszcze bardziej precyzję pomiarów pozycji, co powinno skutkować odkryciem kolejnych układów podwójnych asteroid.

Źródło: ESA/Gaia