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Mögliche Heimatsterne für das interstellare Objekt 'Oumuamua

25. September 2018

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Coryn Bailer-Jones vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat die Bahn des interstellaren Objekts Oumuamua zu mehreren möglichen Heimsternen zurückverfolgt. Das Objekt wurde Ende 2017 entdeckt – erstmals konnten Astronomen damals ein Himmelsobjekt aus einem anderen Sternensystem beobachten, das unser eigenes Sonnensystem besuchte. Bailer-Jones und seine Kollegen nutzten Daten des ESA-Astrometriesatelliten Gaia, um vier plausible Kandidaten für jenen Stern zu finden, wo die lange Reise von ‘Oumuamua vor mehr als einer Million Jahre begann.
Künstlerische Darstellung des interstellaren Objekts Oumuamua. Das Objekt sieht sieht entweder so langgestreckt aus wie in diesem Bild oder aber ist eine Art flacher Pfannkuchen. Bild vergrößern
Künstlerische Darstellung des interstellaren Objekts Oumuamua. Das Objekt sieht sieht entweder so langgestreckt aus wie in diesem Bild oder aber ist eine Art flacher Pfannkuchen.

Die Entdeckung des interstellaren Objekts, das heute als "Oumuamua" bekannt ist, im Oktober 2017 war eine Premiere: Zum ersten Mal konnten Astronomen ein interstellares Objekt beobachten, das unser Sonnensystem besucht. Leider wurde der außergewöhnliche Besucher erst entdeckt, als das Objekte sich anschickte, unsere Sonnensystem wieder zu verlassen, aber die Astronomen konnten immerhin noch bodengebundene und Weltraumteleskope verwenden, um die Bewegung des Objekts zu vermessen.

Jetzt ist es einer Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Coryn Bailer-Jones gelungen, die Bahn von Oumuamua über Millionen Jahre zurückzuverfolgen und vier Kandidaten für das Ursprungs-System des Objekts zu identifizieren. Frühere Studien hatten sich an ähnlichen Rekonstruktionen der Herkunft von Oumuamua versucht, aber keine plausiblen Kandidaten gefunden.

Eine kleine, aber wichtige Zusatzbeschleunigung

Den früheren Studien fehlte insbesondere eine entscheidende Information: Im Juni 2018 hatte eine Gruppe unter der Leitung des ESA-Astronomen Marco Micheli gezeigt, dass die Umlaufbahn von Oumuamua im Sonnensystem nicht die eines Objekts im freien Fall ist, d.h. eines Objekts, das sich ausschließlich unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt. Stattdessen trat eine zusätzliche Beschleunigung auf, während sich das Objekt in der Nähe der Sonne befand. Oumuamua dürfte in entscheidender Hinsicht einem Kometen ähneln: das Objekt besteht zum Teil aus Eis, das bei ausreichender Erwärmung durch Sonnenlicht Gas produziert. Das ausströmende Gas wiederum erteilt Oumuamua eine kleine Beschleunigung, ähnlich wie ein (sehr schwacher) Raketenantrieb.

Erst wenn man diesen Effekt angemessen berücksichtigt, kann man die Bahn des Objekts zuverlässig zurückverfolgen. Als ersten Schritt kann man dann rekonstruieren, aus welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit das Objekt überhaupt in unser Sonnensystem eingetreten ist. Solch eine realistische Rekonstruktion ist Ausgangspunkt der neuen Studie von Bailer-Jones und seinen Kollegen.

Gaia-Daten zu Millionen von Sternen

Um die Bahn von Oumuamua zurückzuverfolgen sind noch weitere Informationen nötig: Was ist mit den Sternen, denen es auf dem Weg begegnet ist, und ihrer kombinierten Schwerkraft, die die Flugbahn des Objekts beeinflusst haben wird? Für diesen Teil ihrer Rekonstruktion nutzte Bailer-Jones die Daten, welche die ESA-Mission Gaia im April dieses Jahres veröffentlicht hatte. Mit diesen Daten ist Bailer-Jones sehr vertraut: Er leitet eine jener Gruppen,  die sich um die Aufbereitung der Gaia-Daten für die wissenschaftliche Gemeinschaft kümmern.

Der Datensatz Gaia Data Release 2 (DR2) enthält präzise Informationen über Positionen, Bewegungen am Himmel und Parallaxe (als Maß für die Entfernung) für 1,3 Milliarden Sterne. Für sieben Millionen der Sterne stellt DR2 zusätzlich Informationen über die Radialgeschwindigkeit des Sterns zur Verfügung, also über denjenigen Anteil seiner Bewegung, die den Stern direkt auf uns zu beziehungsweise von uns weg führt. Mit Hilfe der astronomischen Datenbank Simbad nahmen die Astronomen noch weitere 220 000 Sterne in ihre Studie auf, deren Radialgeschwindigkeit in jener Datenbank enthalten ist.

Als nächstes betrachteten die Astronomen ein vereinfachtes Szenario, das davon ausgeht, dass sich sowohl Oumuamua als auch alle Sterne in den letzten Millionen Jahren entlang gerader Linien und mit konstanter Geschwindigkeit bewegt haben. Aus diesem Szenario wählten sie rund 4500 Sterne aus, die vielversprechende Kandidaten für eine engere Begegnung mit Oumuamua waren. Für diese Sterne wurde dann eine genauere Rechnung durchgeführt und zurückverfolgt, wie sich Oumuamua und die betreffenden Sterne im Gravitationspotenzial unserer Milchstraßengalaxie („geglättetes Potenzial“) bewegt haben.

Mögliche Heimatsterne

Verschiedene Studien hatten bereits gezeigt, dass Oumuamua vermutlich während der Phase der Planetenentstehung aus dem System seines Heimatsterns ausgestoßen wurde. Zu jener Zeit gab es zahlreiche den Stern umkreisende kleine Objekte ("Planetesimale"), von denen eines durch die Schwerkraft eines der Riesenplanten des Systems herausgeschleudert worden sein dürfte, um anschließend solo durch das Weltall zu treiben.

Der Heimatstern des Objekts sollte sich anhand von zwei Eigenschaften identifizieren lassen. Zum einen sollte uns die Rückverfolgung der Umlaufbahn von Oumuamua direkt zurück zum Heimatstern führen, oder zumindest sehr nahe an ihm vorbei. Darüber hinaus sollte die Relativgeschwindigkeit von Oumuamua und seinem Heimatstern zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise gering sein; Objekte werden typischerweise nicht mit hoher Geschwindigkeit aus einem Planetensystem herauskatapultiert.

Bailer-Jones und seine Kollegen fanden vier Sterne, welche diese Kriterien näherungsweise erfüllen. Bei allen vieren handelt es sich um Zwergsterne. Derjenige, der Oumuamua vor etwas mehr als einer Million Jahren am nächsten kam, ist der rötliche Zwergstern HIP 3757. Oumuamuas Bahn verläuft innerhalb von knapp 2 Lichtjahren an diesem Stern vorbei – angesichts der Unsicherheiten der Bahnbestimmung durchaus damit vereinbar, dass Oumuamua aus dem betreffenden Planetensystem stammt (falls jener Stern denn eines besitzt). Die vergleichsweise große Relativgeschwindigkeit (rund 25 km/s) macht es jedoch unwahrscheinlich, dass dies die Heimat von Oumuamua ist.

An dem nächsten Kandidaten, HD 292249, einem der Sonne ähnlichen Stern, wäre Oumuamua vor 3,8 Millionen Jahren etwas weniger dicht vorbeigeflogen, allerdings mit geringerer Relativgeschwindigkeit (10 km/s). Die beiden weiteren Kandidaten liegen dort, wo sich Oumuamua der Bahnrekonstruktion nach vor 1,1 bzw. 6,3 Millionen Jahren befunden hätte – mit ähnlichen Relativgeschwindigkeiten und Minimal-Distanzen. Diese letzten beiden Sterne finden sich zwar in einigen Durchmusterungen, aber es ist bislang wenig über sie bekannt.

Weitere Schritte

Damit sind vier plausible Kandidaten gefunden. Der endgültige Nachweis, wo Oumuamua herkommt, steht aber noch aus. Um Oumuamua mit der beobachteten Geschwindigkeit auszustoßen, müsste das betreffende Planetensystem einen Riesenplaneten enthalten, der Oumuamua in die Tiefen des Weltraums schleudern konnte. Allerdings sind die betreffenden Sterne noch nicht hinreichend erforscht, als das man wüsste, welche Planeten sie umkreisen. Das könnte sich in Zukunft durchaus ändern.

Die Studie ist auch durch die Anzahl von Sternen mit Radialgeschwindigkeiten in der Gaia-Datenveröffentlichung 2 begrenzt. Gaias dritte Datenveröffentlichung DR3, die für 2021 geplant ist, soll Radialgeschwindigkeiten für zehn Mal mehr Sterne enthalten. Das könnte zur Identifizierung weiterer Kandidaten führen. Die Suche nach Oumuamuas Zuhause wird daher noch weitergehen. Ganz bis nach Hause haben die Astronomen unseren interstellaren Besucher noch nicht verfolgen können.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astronomical Journal akzeptiert als Bailer-Jones et al. 2018, “Plausible home stars of the interstellar object ‘Oumuamua found in GaiaDR2.”

Erstautor ist Coryn Bailer-Jones; die weiteren Autoren sind Davide Farnocchia (JPL), Karen Meech (IfA, University of Hawaii), Ramon Brasser (Tokyo Institute of Technology), Marco Michelli (ESA), Sukanya Chakrabarti (Rochester Institute of Technology), Marc Buie (Southwest Research Institute) und Olivier Hainaut (ESO).

Eine hochaufgelöste Version der künstlerischen Darstellung von Oumuamua von M. Kornmesser (ESO) kann auf der zugehörigen Abbildungsseite der ESO abgerufen werden.

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