Interstellare Kometen: Wenn das Universum seine Boten sendet

Interstellare Kometen: Milliarden Jahre der Wanderung für einen einzigen Vorbeiflug

Umherirrende Körper, aus ihrem Ursprungssystem ausgestoßen

Interstellare Kometen sind umherirrende Himmelskörper, galaktische Nomaden, die keinen Stern umkreisen. Während der Planetenentstehung aus ihrem Ursprungssystem ausgestoßen, treiben sie frei durch den interstellaren Raum, einzig der kollektiven Schwerkraft der Milchstraße unterworfen. Anders als sogenannte "lokale" Kometen, die auf geschlossenen elliptischen Umlaufbahnen um die Sonne kreisen, folgen sie hyperbolischen Flugbahnen (eine offene Kurve, deren Exzentrizität streng größer als 1 ist und die keine geschlossene Umlaufbahn um die Sonne zulässt) (Exzentrizität größer als 1).

Hyperbolische Flugbahnen ohne Wiederkehr

Diese Objekte kreuzen unsere stellare Nachbarschaft nur einmal, durch pures Flugbahn-Zufall, ohne jemals von der Schwerkraft der Sonne eingefangen zu werden, bevor sie sich für weitere Hunderte Millionen Jahre in die Tiefen der Galaxis aufmachen.

Anm.:
Bei der Geburt eines Sternsystems schleudern die Gravitationsstörungen der entstehenden Planeten Milliarden kleiner Körper in den interstellaren Raum. Unsere eigene Sonne hat eine beträchtliche Menge solcher Trümmer freigesetzt. Diese Trümmer wandern heute durch die Galaxis und transportieren den chemischen Fingerabdruck ihres Ursprungssystems (Mineralien, Eis, organische Moleküle) wie so viele "Flaschenpost" im kosmischen Ozean.

Die Entdeckung von 'Oumuamua: ein historisches Ereignis

Eine zufällige Entdeckung durch Pan-STARRS1

Am 19. Oktober 2017 entdeckte der Astronom Robert Weryk (geboren 1982), der mit dem Pan-STARRS1-Teleskop auf Hawaii arbeitete, ein Objekt, das sich mit einer ungewöhnlichen Geschwindigkeit bewegte, weit höher, als die Schwerkraft der Sonne allein erklären kann. Dieses Objekt erhielt die Bezeichnung 1I/'Oumuamua (erstes bestätigtes interstellares Objekt, dessen hawaiianischer Name ungefähr 'Bote, der als Erster aus der Ferne kommt' bedeutet), ein hawaiianischer Ausdruck, der ungefähr "Kundschafter aus der Ferne" bedeutet. Es war das erste jemals in unserem Sonnensystem entdeckte bestätigte interstellare Objekt.

Das Objekt wurde entdeckt, als es sich nach seinem Perihel bereits rasch von der Sonne entfernte. Die Astronomen hatten nur wenige Wochen, um es zu beobachten, bevor es zu schwach wurde. Spektroskopieversuche, die es ermöglicht hätten, Moleküle an der Oberfläche oder ausgasend zu identifizieren, blieben mangels ausreichenden Signals weitgehend erfolglos.

Eine unerklärte nicht-gravitative Beschleunigung

Sein rätselhaftes Verhalten löste sofort eine intensive wissenschaftliche Kontroverse aus. Seine Form erschien stark gestreckt und zeigte eine periodische Helligkeitsschwankung, die auf eine turbulente Rotation hindeutete. Noch überraschender war, dass seine Beschleunigung nicht vollständig den Gravitationsvorhersagen entsprach: ein nicht-gravitativer Schubüberschuss wurde gemessen.

Borisov: die erste Bestätigung eines interstellaren Kometen

Eine Amateurentdeckung von der Krim

Am 30. August 2019 entdeckte der ukrainische Amateurastronom Gennady Borisov (geboren 1966) von seinem Observatorium auf der Krim aus ein Objekt mit deutlich kometenhaftem Aussehen. Schnell wurde seine hyperbolische Umlaufbahn berechnet: Seine Exzentrizität von 3,356 ließ keinen Zweifel an seinem interstellaren Ursprung. Der Komet erhielt die offizielle Bezeichnung 2I/Borisov, das zweite bestätigte interstellare Objekt und das erste, das eindeutig eine klassische Kometenaktivität zeigte.

Eine aufschlussreiche chemische Zusammensetzung

Im Gegensatz zu 'Oumuamua erwies sich 2I/Borisov als viel vertrauter. Spektroskopische Analysen vom Boden und aus dem Weltraum zeigten das Vorhandensein von Kohlenmonoxid (CO), Wasser (H₂O) und Cyanid (CN), Verbindungen, die häufig in den Kometen unseres eigenen Sonnensystems vorkommen. Studien der Teams von Piotr Guzik und Bin Yang, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Astronomy, zeigten im Jahr 2020, dass dieser Komet einen besonders hohen CO-Anteil aufwies, weit mehr als der Durchschnitt der Sonnenkometen, was auf eine Entstehung in einer kalten Umgebung in großer Entfernung von seinem Ursprungsstern hindeutet.

Zum ersten Mal konnte die Menschheit die chemische Zusammensetzung eines Himmelskörpers, der in einem anderen Sternsystem entstanden war, direkt analysieren und dadurch Beobachtungsbeschränkungen für die Prozesse der Planetenentstehung auf galaktischer Ebene gewinnen.

Mehrere Kriterien erlauben die Identifizierung eines interstellaren Objekts

Die vier orbitalen und dynamischen Kriterien

Die Identifizierung eines interstellaren Objekts beruht auf mehreren sich ergänzenden physikalischen und orbitalen Kriterien.

• Eine Bahnexzentrizität größer als 1: Die Umlaufbahn ist offen, hyperbolisch, und das Objekt kann gravitativ nicht an die Sonne gebunden sein.
• Die Restgeschwindigkeit nach dem Vorbeiflug: Ein an die Sonne gebundenes Objekt wird beim Wegdriften allmählich langsamer, bis es stoppt und umkehrt. Ein interstellares Objekt hingegen behält auch in sehr großer Entfernung eine positive Geschwindigkeit: Es stoppt nie. Bei 'Oumuamua betrug diese Restgeschwindigkeit etwa 26 km/s, bei 2I/Borisov etwa 32 km/s.
• Eine positive Bahnenergie (\(\varepsilon >0\)): Diese Energie misst das Gleichgewicht zwischen dem, was das Objekt besitzt (seine kinetische Energie \(\frac{v^2}{2}\)), und dem, was die Sonne ihm an "Kosten" abverlangt, um zu entkommen (seine potentielle Energie \(\frac{GM_\odot}{r}\)). Ist die Bilanz negativ, ist das Objekt ein Gefangener der Sonne. Ist sie positiv, ist das Objekt frei: Das trifft auf jeden interstellaren Kometen zu.
• Eine kohärente Herkunftsrichtung: Verfolgt man die Flugbahn rückwärts, muss der Radiant des Objekts in den interstellaren Raum zeigen, ohne Verbindung zu den bekannten Kometenreservoirs des Sonnensystems wie der Oortschen Wolke oder dem Kuipergürtel.

Übersichtstabelle der bestätigten Objekte

Die folgende Tabelle fasst die beiden bis heute bestätigten interstellaren Objekte mit ihren wichtigsten orbitalen und physikalischen Eigenschaften zusammen.

Was uns interstellare Kometen über die Galaxis lehren

Natürliche Proben extrasolaren Materials

Über die wissenschaftliche Neugier hinaus sind interstellare Kometen natürliche Proben extrasolarer Materie. Ihre chemische Zusammensetzung spiegelt die physikalischen und chemischen Bedingungen wider, die in der protoplanetaren Scheibe ihres Ursprungssterns herrschten: Temperaturen, Isotopenverhältnisse, molekulare Häufigkeiten. Jedes interstellare Objekt ist gewissermaßen der chemische Fingerabdruck einer unbekannten stellaren Umgebung.

Panspermie und galaktischer chemischer Austausch

Die Vorstellung, dass chemisches Material über solche Objekte von einem Sternsystem ins andere zirkuliert, ist eng mit dem Konzept der Panspermie verbunden (Hypothese, wonach Mikroorganismen oder ihre chemischen Vorläufer durch Meteoriten, Kometen oder andere Himmelskörper zwischen Sternsystemen transportiert werden könnten). Wenn komplexe organische Moleküle, ja sogar präbiotische Verbindungen, die interstellare Reise überstehen können, ist die Möglichkeit eines chemischen Austauschs zwischen Sternsystemen nicht auszuschließen.

Grundsätzlicher bestätigen die Entdeckung und Erforschung dieser Objekte, dass unser Sonnensystem in der Galaxis nicht isoliert ist. Es badet in einem kontinuierlichen Strom von Materie aus anderen Gegenden, einem permanenten Austausch planetarer Trümmer, der im Lauf von Milliarden Jahren eine Art gemeinsames chemisches Gewebe zwischen den Sternsystemen der Milchstraße webt.