Kosmisches Verkehrsaufkommen, abgelenkte Kometen, und ein genauer Blick auf die Auslöser kosmischer Katastrophen
Wenn Sterne in der Nähe der Sonne vorbeifliegen, können sie Kometen aus der sogenannten Oort-Wolke in die inneren Regionen des Sonnensystems lenken. Sternbegegnungen sind so ein wichtiger Faktor um die Häufigkeit von Kometeneinschlägen auf der Erde abschätzen zu können. Coryn Bailer-Jones vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat jetzt mithilfe von Daten des ESA-Satelliten Gaia die erste systematische Abschätzung der Häufigkeit solcher Begegnungen vorgenommen: Pro Million Jahre kommen bis zu zwei Dutzend Sterne der Sonne auf einige Lichtjahre nahe – unser Sonnensystem kommt gar nicht erst zur Ruhe. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
| Hintergrundinformationen | Bilder und Download-Bereich | Ausführliche Beschreibung |
Bild des Kometen C/2012 S1 (ISON), aufgenommen mit dem TRAPPIST-Süd-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO im Jahre 2013. Dieser Komet stammt wahrscheinlich aus der Oort'schen Wolke, befindet sich aber definitiv nicht auf Kollisionskurs mit der Erde. Er zeigt das typische Erscheinungsbild von Kometen, die im inneren Sonnensystem ankommen: einen riesigen Schweif aus Gas und Staub.
Aus Daten des ESA-Astrometriesatelliten Gaia präzise physikalische Kenngrößen von Himmelsobjekten zu bestimmen ist das Tagesgeschäft von Coryn Bailer-Jones vom Max-Planck-Institut für Astronomie – als Leiter derjenigen Arbeitsgruppe des Gaia-Datenanalyse-Konsortiums, die für die Bestimmung astrophysikalischer Parameter zuständig ist. Aber jenseits von dieser Rolle innerhalb der Gaia-Mission beschäftigt sich Bailer-Jones seit geraumer Zeit mit einer ganz bestimmten Anwendung solcher Daten: der Untersuchung der früheren und zukünftigen Begegnungen unserer Sonne mit anderen Sternen und der Auswirkungen solcher Stern-Vorbeiflüge für katastrophale Kollisionen von Kometen mit unserem Heimatplaneten.
Kometen, die mit der Erde zusammenstoßen, gehören zu den gefährlicheren kosmischen Katastrophen für unsere kosmische Heimat. Der bekannteste kosmische Zusammenstoß trug vor 66 Millionen Jahren zum Aussterben der Dinosaurier bei (wenn auch nicht sicher ist, ob es sich in diesem spezifischen Fall um einen Kometen oder einen Asteroiden handelte).
Immerhin sind Zusammenstöße mit regionalen oder gar globalen Folgen heutigem Wissen nach sehr selten – auf jede Jahrmillion kommt im Schnitt nicht mehr als ein solcher Einschlag. Zumindest die größeren Kometen und Asteroiden werden von den bestehenden Warnsystemen recht vollständig erfasst, und keiner davon befindet sich auf Kollisionskurs mit der Erde.
Trotzdem sind die Folgen möglicher Kometeneinschläge so ernst, dass die Erforschung der Hintergründe solcher Einschläge durchaus von praktischem Interesse sind. Eine besondere Rolle kommt dabei Sternbegegnungen zu, also Sternen, die durch die kosmische Nachbarschaft unserer Sonne fliegen. Unserem heutigen Bild des Sonnensystems nach befinden sich in den Außenbereichen, der sogenannten Oort'schen Wolke, zahlreiche kalte, eisige Objekte – potenzielle Kometen. Der Schwerkraft-Einfluss eines vorbeiziehenden Sterns kann einige dieser Objekte ablenken und sie ins innere Sonnensystem lenken und möglicherweise auf einen Kollisionskurs mit der Erde. Solche Sternbegegnungen zu verstehen ist daher wichtig, um das Risiko von Kometeneinschlägen richtig einschätzen zu können.
Jetzt hat Bailer-Jones die erste systematische Abschätzung für die Häufigkeit solcher Sternbegegnungen veröffentlicht. Das neue Ergebnis nutzt Daten der ersten Datenveröffentlichung (DR1) der Gaia-Mission, welche die neuen Gaia-Messungen mit älteren Messwerten des ESA-Astrometriesatelliten Hipparcos kombinieren. Entscheidend ist dabei, dass Bailer-Jones jeden Kandidaten für eine Sternbegegnung als eine Art Wolke virtueller Sterne modellierte und so berücksichtigen konnte, wie die vorhandenen Messunsicherheiten den abgeleiteten Häufigkeitswert für die Sternbegegnungen beeinflussen.
Bailer-Jones fand, dass binnen einer Million Jahre typischerweise zwischen 490 und 600 Sterne mit Abständen von 16,3 Lichtjahren oder weniger an der Sonne vorbeifliegen werden. (16,3 Lichtjahre entsprechen 5 Parsec, in der unter professionellen Astronomen üblichsten Entfernungseinheit). Zwischen 19 und 24 Sterne kommen der Sonne sogar auf 3,26 Lichtjahre (1 Parsec) oder weniger nahe. All diese hunderte von Sternen würden nahe genug an der Oort-Wolke vorbeifliegen, um Kometen ins innere Sonnensystem ablenken zu können. Die neuen Ergebnisse sind von derselben Größenordnung wie frühere, weniger systematische Abschätzungen. Sie zeigen, dass rund um das Sonnensystem recht starker stellarer Verkehr herrscht.
Die neuen Ergebnisse gelten für die letzten und für die kommenden fünf Millionen Jahre. Mit Gaias nächster Datenveröffentlichung DR2, die für April 2018 erwartet wird, sollten sie sich auf die letzten und die nächsten 25 Millionen Jahre erweitern lassen. Astronomen, die darüber hinausgehen und herausfinden wollen, welcher Stern möglicherweise dafür verantwortlich ist, einen Kometen auf die Dinosaurier zu lenken, müssen dazu allerdings noch viel mehr über unsere Heimatgalaxie und deren Massenverteilung wissen – ein langfristiges Ziel der Forscher, die sich mit Gaia und verwandten Projekten befassen.
Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als C. A. L. Bailer Jones, "The completeness-corrected rate of stellar encounters with the Sun from the first Gaia data release" in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics.
- Fachartikel auf arXiv
- ESAs Bild der Woche zu diesen Ergebnissen (nur nach Ablauf der Sperrfrist zugänglich)
- ESA-Pressemitteilung zu diesen Ergebnissen (nur nach Ablauf der Sperrfrist zugänglich)
Weitere Abbildungen und Downloadbereich
Abbildung 1
Ausführliche Beschreibung: Kosmisches Verkehrsaufkommen, abgelenkte Kometen, und ein genauer Blick auf die Auslöser kosmischer Katastrophen
Große Asteroiden oder Kometen, die auf der Erde einschlagen, sind eine ernstzunehmende globale Bedrohung. Solche Einschläge haben in der Vergangenheit stattgefunden und werden dies auch in Zukunft tun. Die erste gute Nachricht ist, dass Einschläge mit regionalen oder sogar globalen Folgen sehr selten sind. Nur etwa einmal pro Jahrmillion ereignet sich ein solcher Einschlag. Das Risiko eines zufällig ausgewählten Menschen, an den Folgen eines Flugzeugabsturzes zu sterben, ist 25 Mal so groß wie ein Tod aufgrund der Folgen eines kosmischen Zusammenstoßes. Die zweite gute Nachricht ist, dass die derzeitigen Überwachungskampagnen ein komplettes Inventar zumindest der größeren Asteroiden und Kometen (einige hundert Meter Durchmesser und mehr) liefern, deren Bahnen in die Nähe unserer Sonne führt, und dass keines dieser bekannten erdnahen Objekten eine konkrete Bedrohung für die Erde darstellt.
Kosmische Zusammenstöße verstehen
Trotzdem ist es nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von praktischem Interesse, diese Art von Bedrohung und ihre Ursache zu verstehen. Zumindest was Kometeneinschläge angeht, führt die Spur noch weiter in den Weltraum hinaus, weit jenseits unseres Sonnensystems. Unsere Sonne ist nur einer von schätzungsweise 200 bis 300 Milliarden Sternen in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Von außen gesehen ist die Milchstraße eine gigantische Scheibe, so groß, dass Licht 100.000 Jahre benötigt, um vom einen Ende zum anderen zu reisen. In dieser Scheibe laufen die Sterne um das Zentrum der Milchstraße um. Unsere Sonne benötigt für einen vollen Umlauf zwischen 225 und 250 Millionen Jahre. Bei genauerem Hinsehen ist die Bewegung der Sterne allerdings deutlich komplexer – jeder Stern folgt seiner eigenen Bahn, und diese Bahnen können sich kreuzen und Sterne für eine (kosmisch gesehen) kurze Zeit in direkte Nachbarschaft zueinander bringen.
Solche nahen Sternbegegnungen spielen für Kometeneinschläge auf der Erde eine wichtige Rolle. In unserem heutigen Bild des Sonnensystems befindet sich weit außen um die Sonne herum eine gigantische Wolke aus vergleichsweise kleinen, eisigen Objekten, eben den Kometen. Diese "Oort'sche Wolke" umgibt die Sonne wie eine gigantische Kugelschale, deren innerer Rand rund 2000 Mal, der äußere rund 50.000 Mal soweit von der Sonne entfernt ist wie die Erde. Der äußerste Rand der Oort'schen Wolke ist damit von der Sonne rund ein Lichtjahr entfernt! In dieser Wolke dürften sich Milliarden von Kometen befinden, die größer sind als ein paar oder sogar ein paar Dutzend Kilometer.
Aufgrund des großen Abstandes spüren die Kometen nur eine sehr schwache Gravitationsanziehung von der Sonne – gerade genug, um sie in riesigen Umlaufbahnen um unseren Zentralstern umlaufen zu lassen. Unter solchen Umständen reicht bereits die Schwerkraft eines Sterns, der einige Lichtjahre entfernt vorbei läuft, aus, um die Kometen spürbar von ihren Bahnen abzulenken. Der Grad der Ablenkung hängt dabei zum einen davon ab, wie nahe der Stern vorbeifliegt, zum anderen von der Masse des Sterns und davon, wie schnell er sich bewegt.
Von der Begegnung zum Zusammenstoß
Einige der Kometen werden dabei so abgelenkt, dass ihre neue Bahn sie bis ins innere Sonnensystem führt. Nähern sie sich den inneren Regionen, dann lösen das Sonnenlicht und die Teilchenstrahlung der Sonne Material aus dem eisigen Objekt und erzeugen so den charakteristischen langen Schweif des Kometen. Nachdem er den sonnennächsten Punkt seiner Bahn durchlaufen hat, fliegt der Komet wieder hinaus in die Weiten des Sonnensystems und wiederholt seinen Umlauf solange, bis er sich in der Sonnenstrahlung aufgelöst hat – oder, weit seltener, bis er mit einem der Körper im Sonnensystem zusammengestoßen ist.
Die Existenz der Oort'schen Wolke und deren gelegentliche Störungen dienen als Erklärung für langperiodische Kometen, bei denen jeder Umlauf um die Sonne zwischen 200 und Tausenden von Jahren dauert. Tatsächlich brachte die gigantische Größe der Umlaufbahnen dieser Kometen, die sich bereits aus Beobachtungen ihrer Bahneigenschaften im inneren Sonnensystem ableiten lässt, den Astronomen Jan Hendrik Oort dazu, die Existenz der heute nach ihm benannten Wolke überhaupt erst zu postulieren. Alle bisherigen Beobachtungen stützen Oorts Hypothese; eine direkte Beobachtung der Oort'schen Wolke liegt allerdings jenseits der heutigen technischen Möglichkeiten.
Entsprechend gibt es eine direkte Verbindung zwischen nahen Sternbegegnungen und Kometeneinschlägen auf der Erde; um letztere zu verstehen muss man erstere untersuchen: Wie häufig sind solche nahen Sternbegegnungen? Welche Begegnungen gab es in der Vergangenheit, und wie beeinflussen sie unsere Abschätzung der aktuellen Kollisionswahrscheinlichkeit?
Sternbewegungen und Sternbegegnungen
Die Antworten auf diese Frage hängen von den Daten für die Bewegungen von Sternen in unserer direkten kosmischen Nachbarschaft ab – und davon, wie genau diese Daten sind. Jetzt hat Coryn Bailer-Jones, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie, die erste systematische Schätzung der Wahrscheinlichkeit naher Sternbegegnungen veröffentlicht. Seine Rechnungen basieren auf der ersten Datenveröffentlichung (DR1) des ESA-Astrometriesatelliten Gaia, die am 14. September 2016 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde.
Gaias Hauptaufgabe ist es, die Positionen, Entfernungen und Geschwindigkeiten von über einer Milliarde Sternen in unserer Galaxie mit einer Genauigkeit zu messen, die noch nie zuvor für soviele Sterne erreicht wurde. Das Endergebnis dieser Messungen liefert genau diejenigen Informationen, die man benötigt, um die Bahnen von Sternen in unserer galaktischen Nachbarschaft zu beschreiben: wo sich diese Sterne in unserer Umgebung befinden und wie sie sich bewegen.
Eine vollständige Auswertung und Untersuchung der Gaia-Daten ist derzeit noch im Gange. Mit DR1 wurden vorläufige Ergebnisse für eine besondere Untermenge der Daten veröffentlicht, die zumindest einen Teil der zur Beurteilung von Sternbegegnungen nötigen Informationen liefert. Dieser sogenannte TGAS-Katalog umfasst 2.057.050 Sterne und nutzt sowohl die ersten Gaia-Daten als auch Daten des ESA-Satelliten Hipparcos von vor 20 Jahren um die bislang besten Sternabstände und -bewegungen zu liefern.
In diesem Katalog identifizierte Bailer-Jones 468 Sterne die, wenn ihre Geschwindigkeit den jetzigen Wert beibehielte, in einem Abstand von 32,6 Lichtjahren (10 Parsec) oder weniger an der Sonne vorbeifliegen würden, oder bereits in diesem Abstandsbereich vorbeigeflogen wären. Für diese Sterne erstellte er dann Computersimulationen ihrer Bahnen unter Berücksichtigung des Gravitationsfeldes unserer Heimatgalaxie, um den minimalen Abstand dieser Sterne zur Sonne genauer zu rekonstruieren. Er fand, dass dieser Minimalabstand für 16 Sterne weniger als 6,5 Lichtjahre (2 Parsec) betrug. (Die Lichtjahr-Werte sind krumme Zahlen, da Bailer-Jones seine Grenzwerte so wählte, dass sich runde Zahlenwerte in der unter Astronomen üblichen Entfernungseinheit Parsec ergeben, 1 Parsec = 3,26 Lichtjahre.)
Die engste zukünftige Begegnung
Am nächsten kommt der Sonne der Stern Gl 710 (gesprochen 'Gliese 710'), von dem schon seit einiger Zeit ist, dass er auf eine Begegnung mit der Sonne zusteuert. Die neuen Daten und Rechnungen zeigen, dass dieses Zusammentreffen, das in 1,3 Millionen Jahren stattfindet, deutlich enger ist als vor Veröffentlichung der DR1-Daten gedacht: nur ein Viertel Lichtjahr (rund 16.000 Mal der Abstand Erde-Sonne), deutlich innerhalb der Oort'schen Wolke. Das bestätigt ähnliche Rechnungen zweier polnischer Astronomen, Filip Berski und Piotr Dybczyński, für diesen Stern auf Basis der ersten Gaia-Datenveröffentlichung, veröffentlicht 2016.
Zwar hat Gl 710 eine vergleichsweise geringe Masse, nur 60% der Sonnenmasse. Allerdings ist seine Geschwindigkeit ebenfalls gering, so dass er viel Zeit hat, seinen Gravitationseinfluss in der Oort'schen Wolke spürbar werden zu lassen. Dass Gl 710 vermutlich von einer eigenen Oort'schen Wolke umgeben ist eröffnet die faszinierende Möglichkeit, dass unsere Sonne bei einer solchen Nahbegegnung sogar Kometen mit einem vorbeifliegenden Stern austauschen könnte!
Die Begegnungshäufigkeit ausrechnen
Aber Bailer-Jones identifizierte nicht nur die nächsten (vergangenen und zukünftigen) Begegnungen, sondern ging noch einen wichtigen Schritt weiter. Keine astronomische Durchmusterung erfasst wirklich alle Himmelsobjekte; typischerweise werden nur Objekte bis zu einer bestimmten minimalen Helligkeit erfasst, während noch leuchtschwächere Objekte vernachlässigt werden. Bailer-Jones modellierte die Sternbegegnungen in DR1, verglich sie mit den Nachweisgrenzen der Gaia-Durchmusterung und zog mithilfe statistischer Verfahren Rückschlüsse darauf, wie viele der Nahbegegnungen seine auf DR1 basierende Auswertung übersehen haben dürfte. Außerdem berücksichtigte Bailer-Jones die Messunsicherheiten der Gaia-Daten, die aus systematischen Studien des Gaia-Teams bekannt sind. Für jeden Stern berechnete er nicht nur die Bahn aufgrund der Gaia-Nennwerte der Bahnparameter, sondern schickte gleich einen ganzen Schwarm virtueller Sterne auf die Reise. Der Schwarm repräsentiert die (zum Teil beträchtlichen) Unsicherheiten der Daten – und damit die Wahrscheinlichkeiten, dass die Bahndaten etwas von den Gaia-Nennwerten abweichen. So ergibt sich eine zuverlässigere Abschätzung als wenn man nur die Nennwerte heranzieht.
Das Ergebnis war die erste systematische Abschätzung der Häufigkeit für Sternbegegnungen für die letzten und die nächsten fünf Millionen Jahre. (Die Bahnrekonstruktion ist nicht genau genug, um Bahnen mithilfe der DR1-Daten weiter in die Vergangenheit oder in die Zukunft zu verfolgen.)
In Übereinstimmung mit früheren, weniger systematischen Abschätzungen fand Bailer-Jones, dass in einer Million Jahren zwischen 490 und 600 Sterne mit einem Abstand von 16,3 Lichtjahren (5 Parsec) oder weniger an der Sonne vorbeifliegen werden. Diese Zahl umfasst Sterne aller möglichen Massen; am häufigsten sind allerdings Sterne mit geringer Masse, wie Gl 710. Im gleichen Zeitraum ziehen zwischen 19 und 24 Sterne noch deutlich näher an der Sonne vorbei, nämlich in einem Abstand von 3,26 Lichtjahren (1 Parsec) oder weniger. Da es mehrere Millionen Jahre dauert, bis die Störungen aufgrund einer Sternbegegnung in der Oort'schen Wolke abgeklungen sind befindet sich die Wolke bei soviel Verkehr in einem dauergestörten Zustand, ohne dazwischen liegende Ruhephasen.
Nicht ganz bis zu den Dinosauriern
Das sind wertvolle Daten für die Wissenschaftler, die versuchen, die Häufigkeit von Kometeneinschlägen auf der Erde einzuschätzen. Die nächste Veröffentlichung von Gaia-Daten, DR2 im April 2018, sollte es erlauben, die Rekonstruktion von Nahbegegnungen auf die letzten und die nächsten 25 Millionen Jahre auszudehnen. Die darauffolgende Veröffentlichung DR3 wird auch Abschätzungen für Massen und Radien der beobachteten Sterne enthalten, basierend auf Daten des Spektrometers, das Gaia mit sich führt. Bailer-Jones leitet dabei die Gruppe der Wissenschaftler, die solche und andere astrophysikalische Parameter aus dem reichen Schatz an Gaia-Daten ableiten. Informationen über Massen und Radien werden den Astronomen Abschätzungen dazu erlauben, wie stark die Oort'sche Wolke im Mittel durch Sternbegegnungen gestört wird. Das wiederum erlaubt genauere Abschätzungen, wie oft solche Begegnungen tatsächlich zu Kometeneinschlägen führen.
Noch weiter in die Vergangenheit oder in die Zukunft zu extrapolieren ist deutlich schwieriger. Bei den entsprechenden noch längeren Bahnen wird wichtig, dass wir die Massenverteilung in der Milchstraße nur mit einer bestimmten Genauigkeit kennen (auch wenn die Gaia-Daten uns helfen werden, unser Wissen darüber zu erweitern). Astronomen, die sich auf die Suche nach dem Stern machen, der den Dinosauriern vor 66 Millionen Jahren einen katastrophalen Kometeneinschlag bescherte, werden zuerst die Massenverteilung in unserer Heimatgalaxie deutlich besser bestimmen müssen, als dies mit heutigen Daten gelingt.