Künstlerische Darstellung von Oumuamua, dem ersten bekannten interstellaren Objekt, das das Sonnensystem passiert. (ESO / M. KORNMESSER)

Eine Milliarde Jahre im interstellaren Raum: Was wir heute über 'Oumuamua wissen

Dies haben wir aus dem ersten Objekt gelernt, das jemals entdeckt wurde, um aus dem interstellaren Raum in unser Sonnensystem einzudringen.

Vor Milliarden von Jahren war unser Sonnensystem ein außerordentlich anderer Ort als heute. Die Erde hatte keine vielzelligen Lebensformen: keine Pflanzen, keine Tiere, keine sexuelle Fortpflanzung. Saturn hatte noch keine Ringe, da die Kollision, die einen seiner riesigen Monde zerstörte, noch nicht stattgefunden hatte. Und der Asteroidengürtel war viel reicher als heute, voller felsiger Körper, die längst gravitativ in den interstellaren Raum ausgestoßen wurden.

Jedes Sonnensystem hat eine ähnliche Geschichte, wenn wir verstehen, wie sie sich richtig bilden. Kleine, felsige Körper - sowie die weiter draußen von Eis dominierten - werden von den Planeten und anderen Objekten um sie herum gravitativ herumgetreten. Viele dieser Objekte werden ausgeworfen und wandern durch die Galaxie, bis sie zufällig in die Nähe eines anderen fremden Sonnensystems gelangen. 2017 haben wir zum ersten Mal ein Objekt entdeckt, das unser Sonnensystem durchquert und außerhalb des Sonnensystems entstanden sein muss: den interstellaren Eindringling 'Oumuamua. Folgendes wissen wir heute darüber.

Das jetzt als 'Oumuamua' bekannte Objekt hieß ursprünglich C / 2017 U1, als es als Komet galt, und dann A / 2017 U1, als es als Asteroid galt. Heute heißt es I / 2017 U1, da es das erste bekannte interstellare (I) Objekt ist, das unser Sonnensystem besucht. Es näherte sich unserem Sonnensystem von oben und kam am 9. September der Sonne am nächsten. Es ist jetzt auf dem Weg nach Uranus, um das Sonnensystem zu verlassen. (NASA / JPL-CALTECH)

Der hawaiianische Name "Oumuamua" ist außerordentlich eindrucksvoll und bedeutet "Pfadfinder oder Bote aus der fernen Vergangenheit". Als wir dieses Objekt durch unser Sonnensystem laufen sahen, sprang es als etwas anderes heraus. Jedes Objekt, das wir jemals gefunden haben, hat eine Umlaufbahn in Bezug auf unsere Sonne. Die vier Optionen sind:

  • kreisförmig, mit einer Exzentrizität von 0,
  • elliptisch, mit einer Exzentrizität zwischen 0 und 1,
  • parabolisch, mit einer Exzentrizität von genau 1,
  • oder hyperbolisch mit einer Exzentrizität größer als 1.

Wir haben Objekte in allen vier Klassen gefunden, wobei die hyperbolischen Objekte Kometen entsprechen, die durch Gravitation so getreten wurden, dass sie das Sonnensystem verlassen. Sie haben Exzentrizitäten, die geringfügig größer als 1 sind, mit Werten wie etwa 1.0001.

Aber als wir Oumuamua zum ersten Mal fanden, erkannten wir, dass es etwas Besonderes war. Im Gegensatz zu allem anderen, was wir jemals gefunden haben, betrug seine Exzentrizität 1,2.

Die nominelle Flugbahn des interstellaren Asteroiden Oumuamua, berechnet auf der Grundlage der Beobachtungen vom 19. Oktober 2017 und danach. Die beobachtete Flugbahn weicht durch eine Beschleunigung ab, die extrem kleinen ~ 5 Mikrometern pro Sekunde² gegenüber den Vorhersagen entspricht, aber dies ist signifikant genug, um eine Erklärung zu verlangen. (TONY873004 VON WIKIMEDIA COMMONS)

Eine andere Möglichkeit zu verstehen, warum es so außergewöhnlich war, besteht darin, seine Geschwindigkeit auf dem Weg aus dem Sonnensystem zu betrachten.

Wenn Sie ein Kuipergürtelobjekt wären, das mit einer anderen massiven Welt außerhalb von Neptun interagierte oder von Neptun selbst gestört wurde, könnten Sie es durch Gravitation von unserem Sonnensystem lösen und ihm eine hyperbolische Umlaufbahn geben. Die maximale Geschwindigkeit beim Verlassen des Sonnensystems würde jedoch in der Größenordnung von ~ 1 km / s liegen. Gleiches gilt für einen von Jupiter gestörten Asteroiden: Er könnte beim Verlassen des Sonnensystems Geschwindigkeiten von wenigen (aber weniger als 10) km / s erreichen, jedoch nicht mehr.

Für 'Oumuamua? Wenn es das Sonnensystem verlässt, beträgt seine Geschwindigkeit 26 km / s, eine unglaublich große Zahl für etwas, das aus unserer Nachbarschaft stammt.

Die Planeten des Sonnensystems kreisen zusammen mit den Asteroiden im Asteroidengürtel alle in fast derselben Ebene und bilden elliptische, fast kreisförmige Bahnen. Jenseits von Neptun werden die Dinge zunehmend weniger zuverlässig. Aber jedes Objekt mit Ursprung im Sonnensystem sollte eine maximale Geschwindigkeit haben, wenn es das Sonnensystem verlässt, die weit unter dem liegen sollte, was wir für 'Oumuamua' beobachtet haben. (SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUT, GRAPHICS DEPT.)

Mit anderen Worten, es muss einen extra-solaren Ursprung haben. Dieses Objekt musste aus dem interstellaren Raum stammen: aus einem anderen Sternensystem, das es wahrscheinlich vor unerkennbarer Zeit ausgestoßen hat. Nach unseren besten theoretischen Modellen sollte es mindestens viele Milliarden dieser Objekte für jeden einzelnen Stern in unserer eigenen Galaxie geben. Es ist außerordentlich wahrscheinlich, dass viele dieser Objekte jährlich unser Sonnensystem passieren, aber wir haben sie noch nie zuvor entdeckt.

Bis 'Oumuamua.

Eine Animation, die den Weg des interstellaren Eindringlings zeigt, der jetzt als Oumuamua bekannt ist. Die Kombination von Geschwindigkeit, Winkel, Flugbahn und physikalischen Eigenschaften lässt den Schluss zu, dass dies von außerhalb unseres Sonnensystems kam. (NASA / JPL - CALTECH)

Als es durch das Sonnensystem kam, passierte es das Innere der Merkur-Umlaufbahn: extrem nah an der Sonne. Da unsere Teleskope selten sehr nahe an der Sonne scannen, haben wir sie erst entdeckt, als sie auf die andere Seite der Erdumlaufbahn gelangt war, als sie bereits auf dem Weg aus dem Sonnensystem war. Wir fanden es, als es sich fast am nächsten Punkt unserer Welt befand, in einer Entfernung von nur 23 Millionen km: ungefähr dem 60-fachen der Erde-Mond-Entfernung.

Bei der nächsten Annäherung bewegte es sich unglaublich schnell und erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 88 km / s: ungefähr dreimal so hoch wie die Geschwindigkeit, mit der die Erde die Sonne umkreist. Trotz alledem hatten wir das unglaubliche Glück, es aus den Daten herauszuholen. Sobald wir diese ersten Hinweise auf seine Existenz hatten, hatten wir jedoch - aus der Pan-STARRS-Umfrage erhalten - die Möglichkeit, diese Beobachtungen mit einer Reihe großer, leistungsstarker Teleskope zu verfolgen.

Das Pan-STARRS1-Observatorium auf Haleakala Maui bei Sonnenuntergang. Durch häufiges Scannen des gesamten sichtbaren Himmels bis in geringe Tiefe kann Pan-STARRS automatisch jedes sich bewegende Objekt in unserem Sonnensystem oberhalb einer bestimmten scheinbaren Helligkeit finden. Die Entdeckung von 'Oumuamua wurde genau auf diese Weise gemacht, indem seine Bewegung relativ zum Hintergrund von Fixsternen verfolgt wurde. (ROB RATKOWSKI)

Es hatte eine weitaus rötlichere Farbe als fast alles andere, was wir kennen: Am ähnlichsten wie die trojanischen Asteroiden, die Jupiter umkreisen. Es hat eine andere Farbe als die wahren Eiswelten, die wir kennen, einschließlich der Zentauren, Kometen und Kuipergürtelobjekte, die wir in unserem eigenen Sonnensystem finden. Aber es war auch in gewissem Sinne unglaublich langweilig und zeigte keine molekularen, Absorptions- oder Emissionsmerkmale.

Es war dunkel, es war rot, und durch die Kombination dieser Informationen mit den von uns durchgeführten Helligkeits- und Entfernungsmessungen konnten Astronomen ihre Größe bestimmen. Es war kleiner als praktisch jedes uns bekannte Objekt und nur knapp 100 Meter groß. Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass es praktisch überhaupt keinen Staub gegeben haben muss: Es wurde höchstens ein Teelöffel Staub im Wert von Mikrometern (0,000001 Meter) von seiner Oberfläche abgegeben. 'Oumuamua, unabhängig von seiner Herkunft, war definitiv überhaupt nicht kometenartig.

Während sie die Sonne umkreisen, können sich Kometen und Asteroiden ein wenig auflösen, wobei sich Trümmer zwischen den Brocken auf dem Weg der Umlaufbahn im Laufe der Zeit ausdehnen und die Meteorschauer verursachen, die wir sehen, wenn die Erde durch diesen Trümmerstrom fließt. Eines der großen Rätsel von 'Oumuamua ist, warum, als es von Spitzer (der das hier gezeigte Bild aufnahm) abgebildet wurde, keinerlei Trümmer entdeckt wurden: Es war völlig punktförmig. (NASA / JPL-CALTECH / W. REACH (SSC / CALTECH))

Im Oktober 2017 beobachtete eine Reihe von Teleskopen ihre Helligkeit und wie sie sich im Laufe der Zeit veränderte. Über einen Zeitraum von etwa 3,6 Stunden variierte seine Helligkeit periodisch um den Faktor 15: eine unerhörte große Zahl für einen Kometen oder Asteroiden. Die einzige Erklärung ist, dass Oumuamua ein extrem längliches, rotierendes Objekt sein muss. Ohne Staub, Ausgasung oder einen Mechanismus, der das Licht davon abdeckt, muss es einfach einen Größenunterschied geben, der von seiner Ausrichtung abhängt. Wenn wir die "lange" Richtung von 'Oumuamua sehen, sehen wir sie am hellsten; Wenn wir seine „kurze“ Richtung sehen, sehen wir es am schwächsten.

Die Lichtkurve von 'Oumuamua rechts und die aus der Kurve selbst abgeleitete, taumelnde Form und Ausrichtung. (NAGUALDESIGN / WIKIMEDIA COMMONS)

Aber dann wurde es komisch. Als wir Oumuamuas Weg ausfindig machten, stellten wir fest, dass eine normale, perfekt hyperbolische Umlaufbahn nicht ganz gut passte. Zusätzlich zum Einfluss der Schwerkraft gab es eine zusätzliche Beschleunigung, als ob etwas sie drückte. Während einige prominente Befürworter außerordentlich wilde Erklärungen wie Außerirdische vorbrachten, war dies nicht das, was die Daten anzeigten.

Wir müssen nicht auf fantastische Erklärungen zurückgreifen, wenn das Alltägliche es tun wird. Nur weil es kein Koma gab - das häufigste Merkmal von Eis- und Felswelten, die sich erwärmen - heißt das nicht, dass es keine Form von Ausgasung geben könnte. Bei der geringen Größe und großen Entfernung von 'Oumuamua konnten wir schließen, dass es keinen Gashalo um sich hatte, aber wir konnten keinen einzigen diffusen Ejektastrahl erkennen.

Komet 67P / CG, wie von Rosetta abgebildet. 'Oumuamua unterscheidet sich in Form, Größe und Oberflächenzusammensetzung stark von diesem Kometen, aber ein Ausgasungsstrahl, der diesem ähnlich ist, könnte, wenn er nicht in der Mitte und außerhalb der Achse liegt, seine ansonsten anomale Bewegung erklären. (ESA / ROSETTA / NAVCAM)

Wie können wir all diese Informationen zusammenführen, um sie auf konsistente Weise zu verstehen?

Es ist möglich, erfordert aber eine Kombination von Faktoren, die wir noch nie gesehen haben. Speziell:

  • ein Ausgasungsstrahl, wie wir ihn aus dem Inneren des Kometen 67P / Churyumov-Gerasimenko gesehen haben,
  • kein Koma und daher eine Oberfläche, die weitgehend frei von flüchtigem Eis ist,
  • ein Ursprung jenseits des Sonnensystems,
  • und ein Körper, der sich nicht nur dreht, sondern chaotisch taumelt, wenn er sich durch das Sonnensystem bewegt.

Dies ist nur möglich, wenn ein Jet aus 'Oumuamua austritt und der Jet von diesem sich drehenden, taumelnden Eindringling außermittig und außermittig ist.

Asteroiden enthalten einige Mengen flüchtiger Verbindungen und können häufig Schwänze entwickeln, wenn sie sich der Sonne nähern. Auch wenn Oumuamua möglicherweise keinen Schwanz oder kein Koma hat, gibt es sehr wahrscheinlich eine astrophysikalische Erklärung für sein Verhalten, das mit Ausgasung zusammenhängt und absolut nichts mit Außerirdischen zu tun hat. (ESA–SCIENCEOFFICE.ORG)

Die unglaubliche Schlussfolgerung ist nicht nur, dass Oumuamua von außerhalb unseres Sonnensystems kam, sondern dass dies sowohl selten als auch häufig war. Für ein einzelnes Objekt wie 'Oumuamua wird es wahrscheinlich nie wieder so nahe an ein anderes Sonnensystem kommen. Nur einmal alle 100 Billionen Jahre - etwa das 10.000-fache des gegenwärtigen Alters des Universums - wird es einem Stern so nahe kommen. Wie der Wissenschaftler Gregory Laughlin es ausdrückte: "Dies war die Zeit von Oumuamuas Leben."

Aber für unser Sonnensystem erleben wir aufgrund der schieren Anzahl solcher Objekte, die durch die Galaxie fliegen, wahrscheinlich einige Male im Jahr eine solche Begegnung. 2017 war das erste Mal, dass wir ein solches Objekt sahen, aber wir haben wahrscheinlich im Laufe des Lebens unseres Sonnensystems Milliarden davon erhalten. Einige von ihnen, wenn die Natur freundlich wäre, könnten sogar mit der Erde kollidiert sein.

Es können bis zu ~ 10²⁵ Objekte wie dieses durch unsere Galaxie fliegen. Von Zeit zu Zeit haben wir das Glück, einem von ihnen zu begegnen. Zum ersten Mal haben wir tatsächlich einen für uns gesehen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.