The Stability of Exomoons in the Habitable Zone

Abstract

This is an analysis of all the planets at exoplanets.org, with the goal of finding out how many of these that could possibly have moons supporting life. I have first calculated the ranges of the habitable zones (HZ:s) for the stars in the archive, using the Runaway Greenhouse model for the inner limit, and the Maximum Greenhouse model for the outer limit, as presented by Kopparapu et al. (2013A). Then I investigate the stability of moons in systems with multiple planets, by inspecting the separation between the planets in terms of their the mutual Hill radii. I calculate how many habitable moons (of 0.3M Earth-masses) individual planets can have, by first placing one at the edge of the planet's Roche lobe, and then another a variable number of mutual Hill radii further in, and then repeating until I reach the point where the moon or the planet fills its own Roche lobe. Finally, I attempt to fit hypothetical planets in the systems with 'gaps' in the habitable zone between discovered planets. A total of 19 confirmed planets were found in habitable zones, out of which 8 are in multiplanetary systems. Out of all 19, all except one were seemingly able to have at least one habitable moon, and a majority even able to have more than 10. Out of all confirmed planets, over 90% seemed to be able to have moons of habitable size, with almost 40% being able to have 10 or more. These numbers can be considered as upper limits, but even as such are quite optimistic as they rely on perfectly circular orbits, and are arrived at while ignoring destabilising phenomena such as mean-motion resonances.

Popular Abstract (Swedish)

Detta arbete handlar om möjligheterna att finna beboeliga månar som kretsar kring planeter runt andra stjärnor än vår egen sol - så kallade exomånar. Själva undersökningen är en analys av över 5000 planeter från onlinearkivet exoplanets.org, för att se hur många av dessa som skulle kunna ha månar som stödjer liv.

Även om majoriteten av fokuset i sökandet efter utomjordiskt liv har legat på exoplaneter än så länge, så finns det ingen uppenbar anledning till varför liv inte skulle kunna finnas på en mindre kropp, som kretsar kring en sådan planet. Dagens observationsmetoder är inte tillräckligt precisa för att upptäcka exomånar i de flesta fall, men de villkor som måste uppfyllas för att liv skulle kunna finnas är i princip identiska med vad som skulle krävas på en exoplanet.

De första av dessa villkor är att planeten eller månen inte kan ligga för nära eller för långt ifrån sin stjärna, då temperaturen måste vara lagom hög för att vatten ska kunna finnas i flytande form. Även om det inte är absolut säkert att vatten är ett krav för liv, så var denna undersökning fokuserad på endast detta scenario. Detta krav är nära sammankopplat till begreppet "beboelig zon", vilket helt enkelt är det område runt en stjärna där temperaturen kan vara lagom hög för eventuellt liv. Zonens utsträckning beror på stjärnans ljusstyrka, och i mindre utsträckning på dess färg. Ju ljusare och rödare en stjärna är, desto längre ifrån den måste en kropp befinna sig för att kunna vara beboelig.

En andra faktor att ta i beaktning är att månen eller planeten behöver en atmosfär. Utan en sådan skulle kroppens yta vara mycket ogästvänlig, främst på grund av strålning, och det faktum att temperaturskillnader mellan dag och natt skulle kunna vara mycket stora. För att bibehålla en atmosfär måste kroppen vara tillräckligt massiv för att gravitationellt hålla kvar den, vilket i praktiken innebär att den måste vara betydligt större än alla månarna i solsystemet. Någon lägsta massa krävs också för att planeten eller månen ska vara geologiskt aktiv, vilket tros vara nödvändigt för liv då det bidrar med att återvinna material på kroppens yta.

Slutligen måste de ovan nämnda villkoren varit uppfyllda under en längre tid, så att eventuellt liv ska kunna ha fått en chans att uppstå. För att hålla sig stabil tillräckligt länge, får inte kroppens omloppsbana störas för mycket av andra objekt. Detta kan vara fallet om planeter eller månar ligger för nära varandra, vilket sätter gränser för hur tätt packat ett planetsystem kan vara, och för hur många månar individuella planeter kan ha.

Genom att ta dessa faktorer i beaktning, visade det sig att totalt 19 planeter från exoplanets.org verkar ligga i beboeliga zoner, varav 18 verkade kunna ha minst en beboelig måne var. 14 av dem verkade till och med kunna ha så mycket som 5 månar var. Dock gäller dessa siffror endast i det ideala fallet då alla månars omloppsbanor valts specifikt för att maximera stabiliteten i systemen, vilket säger väldigt lite om hur vanliga exomånar verkligen är. Till exempel visade undersökningen att planeterna i solsystemet skulle kunna ha många fler månar än de faktiskt har.

• author: Nordanger, Henrik
• supervisor: Melvyn B Davies
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTK01 20141
• year: 2014
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2014-EXA85
• language: English
• id: 4530490
• date added to LUP: 2014-07-04 11:58:49
• date last changed: 2014-07-04 11:58:49