Ist Oumuamua ein Lichtsegel?

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Künsterlische Darstellung eines Lichtsegels (Quelle: Planetary Society).

Oumuamua – oder 1I/2017U1 (Oumuamua), wie das Objekt mit vollständigem Namen heisst – ist das erste bestätigte interstellare Objekt, dessen schneller Flug durch das innere Sonnensystem beobachtet wurde. Entdeckt wurde es vor etwas mehr als einem Jahr, ein paar Wochen nachdem es relativ nahe (näher als Merkur) an der Sonne vorbei geflogen und bereits wieder auf einem Kurs aus dem Sonnensystem hinaus war. Es wurde entdeckt, weil seine Bahn es relativ nahe an der Erde vorbei führte. Oumuamua – der Name bedeutet „von weit her kommender erster Botschafter“ auf Hawaiianisch – wurde dann über einige Wochen intensiv von verschiedenen Teleskopen beobachtet. Heute ist das Objekt bereits wieder zu weit weg: gegenwärtig ist es so weit von der Sonne entfernt wie Saturn. Die Heliopause des Sonnensystems (bei ca. 100 Astronomischen Einheiten) wird es erst wieder in den 2030er Jahren durchqueren.

Neben seiner Bahn ist Oumuamua auch sonst ein eher ungewöhnliches Objekt. Seine Helligkeit schwankt innerhalb von Stunden relativ stark. Dies lässt sich zum Beispiel (aber nicht ausschliesslich) so interpretieren, dass es eine extrem langgezogene Form aufweist, mit einem Längenverhältnis der längsten beiden längsten Achsen in einem Bereich zwischen 1:5 und 1:10 – kein anderes bekanntes Objekt im Sonnensystem hat eine derart stark ausgeprägte „Zigarrenform“ (was natürlich sofort zu Spekulationen über einen künstlichen Ursprung führte). Zur beobachteten Helligkeitsvariation könnten allerdings auch helle und dunkle Regionen auf der Oberfläche beitragen. Das Objekt hat offenbar keine stabile Rotationsperiode, es „taumelt“. Obwohl man grundsätzlich erwarten könnte, dass Objekte aus dem interstellaren Raum viel Eis enthalten, entwickelte sich das Objekt nicht zu einem Kometen, das heisst, es konnten keine austretenden Gase beobachtet werden.

Eine diesen Sommer publizierte wissenschaftliche Arbeit (Micheli et al., 2018) zeigte, dass Oumuamua bei seinem Flug durch das innere Sonnensystem nicht exakt einer Bahn folgte, wie sie die Kepler-Gesetze vorgeben. Eine nicht-gravitative Kraft lenkte es offenbar leicht (aber zweifelsfrei feststellbar) von einer solchen ab. Diese Kraft ist umgekehrt proportional zur Distanz, oder zum Quadrat der Distanz zur Sonne. Die Autoren schlugen deshalb vor, dass Oumuamua eben doch ein Komet sei, und dass der Rückstoss von Ausgasungen, die zu schwach waren, um von der Erde aus beobachtet zu werden, zu der Abweichung geführt hätte. Allerdings zeigte eine spätere Arbeit, die soeben bei Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde (Rafikov, 2018), dass eine solche Ausgasung auch das Rotationsverhalten von Oumuamua in feststellbarer Weise hätte beeinflussen sollen. Die Kraft, die zu der beobachteten Abweichung führte, ist also weiterhin unbekannt.

Nun schlagen zwei Wissenschaftler vom Harvard Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (USA) in einem neuen Preprint (Bialy & Loeb, 2018) vor, dass es sich bei der beobachteten Abweichung um Lichtdruck handeln könnte (der tatsächlich umgekehrt proportional zum Quadrat der Sonnenentfernung ist). Damit das funktioniert – also die Abweichung der Bahn erklärt – muss Oumuamua nicht nur sehr leicht (einige 100-1000 kg), sondern auch extrem dünn (<1 mm) sein. Das klingt vielleicht zunächst verrückt – aber man muss sich klar machen, dass wir aufgrund der vorliegenden Beobachtungen die Masse oder die Geometrie von Oumuamua nicht bestimmen können. So lange eine bestimmte Form und/oder Masse das Verhalten von Oumuamua erklären kann (Bahn & Lichtkurve), kann man sie nicht grundsätzlich ausschliessen. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass Oumuamua bei Beobachtungen mit dem Weltraum-Teleskop Spitzer im November 2017 nicht gefunden werden konnte, wie kürzlich an der DPS-Konferenz berichtet wurde: dies begünstigt die Interpretation, dass es sich bei Oumuamua um ein eher kleines (leichtes) und stark reflektives Objekt handelt, das nicht viel Wärmestrahlung aussendet. Oumuamua könnte also durchaus die Eigenschaften eines „Lichtsegels“ haben, wie z.B. das IKAROS-Segel, das 2010 von der japanischen Weltraumagentur JAXA gestartet wurde. Obwohl wir grundsätzlich nicht ausschliessen können, dass es natürliche Lichtsegel gibt (was wissen wir schon über den interstellaren Raum!), denkt man hier natürlich sofort an einen möglichen künstlichen Ursprung, also dass Oumuamua von einer Exoziv(ilisation) gebaut wurde.

Zunächst sollte man sich hier die Faustregel aller „könnte dies vielleicht künstlichen Ursprungs sein“-Studien in Erinnerung rufen: „It’s never aliens!“ („es sind nie Ausserirdische!“). In aller Regel stellt sich früher oder später heraus, dass das Objekt, für den wir einen ausserirdischen Ursprung in Betracht zogen, letztlich eben doch eine natürliche Erklärung hat. Man denke z.B. an den ersten Pulsar, der den Namen „LGM-1“ für „Little Green Men“ bekam, oder (aller Wahrscheinlichkeit nach) Tabby’s Stern. Es scheint also sehr wahrscheinlich, dass wir auch hier früher oder später eine überzeugende natürliche Erklärung für Oumuamua’s Verhalten finden werden. Trotzdem können wir einen künstlichen Ursprung nicht kategorisch ausschliessen. Es ist auch interessant, sich darüber Gedanken zu machen und zu versuchen, die Konsequenzen eines allfälligen künstlichen Ursprungs einzuordnen.

Mal angenommen, Oumuamua wäre tatsächlich ein Artefakt einer Exoziv, warum ist es dann hier im Sonnensystem? Zunächst einmal würde man vermuten, dass das Segel tatsächlich die Sonne zum Ziel hatte, und nicht etwa ein Stück ausserirdischer „Abfall“ war. Warum? Da wir Oumuamua nur finden konnten, weil das Objekt der Sonne sehr nahe kam, ist das etwa so, wie wenn ein unerschrockener Entdecker durch einen Urwald streift und sich plötzlich, direkt neben seinem Kopf, ein Pfeil in den Baum bohrt: die Chance, dass der Pfeil ihm galt, ist ziemlich hoch – ausser es fliegen sehr, sehr viele Pfeile in allen möglichen Richtungen durch die Gegend. So könnte man zum Beispiel vermuten, dass das Segel verwendet wurde, um eine kleine Nutzlast ins Sonnensystem zu bringen, etwa von einer weit entfernten Exoziv, welche die Erde mit ihren Teleskopen entdeckt hat und sie nun aus der Nähe untersuchen möchte. ABER: dafür war Oumuamua dann doch sehr langsam unterwegs. Die Geschwindigkeit relativ zum Sonnensystem beträgt im Unendlichen nur etwa 26 km/s, etwa 0.01% der Lichtgeschwindigkeit. Mit dieser Geschwindigkeit würde der Flug zum nächsten Stern fast 50000 Jahre dauern! Selbst wir könnten ein Sonnensegel heute allein durch einen nahen Vorbeiflug an der Sonne auf eine deutlich höhere Geschwindigkeit (einige 100 km/s) beschleunigen.

Zudem ist Oumuamuas Geschwindigkeit relativ zu den lokalen Sternen in der Galaxis bemerkenswert klein – in galaktisch radialer und vertikaler Richtung betrug sie (vor der Begegnung mit der Sonne) praktisch Null, nur in Richtung der galaktischen Rotation bewegte sich Oumuamua mit etwa -11 km/s (Mamajek, 2017). In anderen Worten, Oumuamua war vor der Begegnung mit der Sonne so etwas wie eine fast stillstehende Boje, die die Sonne mit ihrer Gravitation nun aus ihrer Position gekickt hat. Beide Beobachtungen sprechen nicht für eine gezielt zum Sonnensystem gesandte Raumsonde. Tatsächlich spricht die geringe Geschwindigkeit relativ zur lokalen Galaxis für die „Abfall“-Hypothese: wie die beiden Autoren in ihrer Arbeit berechnen, könnte ein solches Sonnensegel bei seiner gegenwärtigen Geschwindigkeit nur etwa 30’000 Lichtjahre zurücklegen, bevor es durch Kollisionen mit Gas- und Staubteilchen im interstellaren Medium deutlich verlangsamt würde. Gut möglich also, dass es einst viel schneller unterwegs war, aber seither abgebremst wurde. Der Grad der Abbremsung über eine so grosse Distanz (immerhin ein Drittel des Durchmessers der Galaxis) ist aber kaum kontrollierbar. Das heisst deshalb auch, dass das Sonnensystem nicht das eigentliche Ziel seiner Reise gewesen sein kann.

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Heisst das jetzt, es fliegen da wirklich so viele Pfeile durch den Urwald? Ich denke, es gibt noch eine weitere mögliche Erklärung: Oumuamua könnte Teil eines interstellaren Netzwerks von Raumsonden sein, die nach Anzeichen von neuen Zivilisationen Ausschau halten. Taucht eine auf (etwa, über ihre Radiosignale), macht sich die jeweils nächste Sonde auf, um dem System einen Besuch abzustatten und vielleicht eine kleine Nutzlast zu deponieren. In dem Sinn könnte die Sonde gerichtet gewesen sein, ohne dass sie direkt von einem bestimmten Stern kommen müsste. Natürlich müsste man sich nun im Detail anschauen, welche typischen Distanzen sich so zwischen zwei Sonden ergeben – dies spare ich mir für einen zukünftigen Artikel auf. Man könnte sich natürlich auch fragen, wofür eine solche Sonde, die für Jahrmillionen im interstellaren Raum „lauert“, ein Sonnensegel braucht. Es ist allerdings nicht gesagt, dass was auch immer die Sonde bei der Annäherung an die Sonne etwas „segeln“ lässt, auch ursprünglich als Sonnensegel gedacht war. So hätte zum Beispiel auch eine sehr grosse, dünne Radioschüssel denselben Effekt.

Was denkt ihr? Ist Oumuamua wirklich ein „erster Botschafter, der von sehr weit weg kommt“, im wahrsten Sinn des Wortes? Oder wird sich die Faustregel „it’s never aliens!“ einmal mehr bestätigen? Sollten wir dem Objekt eine Raumsonde hinterher schicken, um es genauer zu untersuchen? Schreibt es unten in die Kommentare!

Hinweis: dieser Artikel wurde aktualisiert, um die neu erschienen Arbeit von Rafikov (2018) zu verlinken (ersetzt den Link zum arxiv-Preprint).

[Nachtrag, 15. November 2018: David Trilling und seine Mitarbeiter haben nun ihre Arbeit über die Infrarotstrahlung von Oumuamua (gemessen mit dem Spitzer Weltraum-Teleskop) veröffentlicht. Sie konnten dabei das Objekt nicht finden – das erlaubt es ihnen aber immerhin, Obergrenzen für die Grösse des Objekts zu bestimmen, sowie für den Ausstoss von gewissen Gasen. Je nachdem, wie das Objekt die Infrarotstrahlung genau abstrahlt, ergeben sich maximale Durchmesser zwischen 100 und 440 m, wobei die kleineren Werte besser zum Infrarot-Abstrahlverhalten von Kometen passen würden. Aber wenn das Objekt klein ist, muss es gleichzeitig auch hell sein, viel heller als ein typischer Komet. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler keine Anzeichen von CO, CO2 und Staub finden, diese fallen also als mögliche „Rückstossgase“ weg, die das Objekt von der Kepler-Bahn hätten schubsen können. Das Objekt könnte für diese Bahnveränderung zwar immer noch Wasser ausstossen (das können die Beobachtungen nicht ausschliessen), allerdings müsste es dann sehr viel mehr Wasser enthalten (im Vergleich zu CO, CO2 und Staub) als ein typischer Komet. In der Summe passen die (Nicht-)Beobachtungen nicht gut zu Kometen und auch nicht zu irgend einem anderen Objekt aus dem Sonnensystem. Was die „Sonnensegel“-Idee angeht, äussern sich die Astronomen nicht direkt, sie wird aber durch die Beobachtungen auch nicht ausgeschlossen.]

12 Kommentare

    • Die Masse wäre zu gross für einen Lichtdruck-Effekt, wenn es sich um einen typischen Asteroiden oder Kometen handelt. Dafür muss das Oberflächen-zu-Masse-Verhältnis schon sehr klein sein, so wie Bialy & Loeb vorschlagen. Über die chemische Zusammensetzung des Objekts (z.B. Metallgehalt) haben wir keinerlei direkte Information.

  1. Soweit ich mich erinnere wurde bei dem Objekt von Anfang an ein hoher Metallanteil vermutet. Was würde nun passieren wenn ein elektrischer Leiter durch die Magnetosphäre der Sonne bzw. durch den Sonnenwind rotiert. Könnte nicht die dabei auftretende Lorenzkraft „anormale“ Effekte wie den Beobachteten verursachen ?
    MT

    • Dieser „hohe Metallanteil“, der mal vermeldet wurde, war ein Missverständnis der Medien: als klar wurde, dass das Objekt sich nicht wie ein Komet verhält, war die Alternative eben ein Asteroid. Viele Asteroiden im Sonnensystem haben mehr Eisen als ein irdisches Mantel- oder Krustengedtein, im Bereich von bis zu ca. 30%. Aber das ist nur eine Vermutung, nichts was auf einer direkten Beobachtung basieren würde. Der Eisengehalt eines Asteroiden wirkt sich nicht auf dessen Bahn aus, mit seiner ganzen Masse ist er viel zu träge.

    • Angenommen es ist ein Sonnensegel. Könnte man dieses nicht einfach nur Nutzen um energiesparend von einem Stern wegzukommen um es anschliessend wieder „einzuziehen“? Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein interstelares Objekt die Nachtseite der Erde in einer Linie mit der Sonne kreuzt? Wenn dies ein künstliches Objekt ist, wird es höchstwahrscheinlich über weitere Antriebe verfügen.
      Ganz ehrlich, ich hoffe es ist nur ein Stück Gestein.

  2. Allein schon Aufgrund der geringen Geschwindigkeit ist m.E. ein natürliches Objekt die wahrscheinlichste Erklärung da ein beschleunigen bzw. abbremsen mittels Lichtsegel ja nur in Sonnennähe richtig funktioniert. Wobei die Abfall-Hypothese auch ganz interessant klingt

    • Ich stimme dir zu – ein natürliches Objekt ist immer die wahrscheinlichste Erklärung. Allerdings, wie erwähnt, selbst wenn Oumuamuas Abweichung von der Kepler-Bahn durch den Lichtdruck erklärt werden kann, ist deswegen nicht gesagt, dass die Struktur einst als Lichtsegel konzipiert wurde – ihr Zweck könnte ganz ein anderer sein.

  3. Moin Bynaus, du hast die Antwort eigentlich schon selbst gegeben: „Natürlich müsste man sich nun im Detail anschauen, welche typischen Distanzen sich so zwischen zwei Sonden ergeben“
    Es ergibt keinen Sinn, wenn eine Exoziv eine Sonde mehrere Tausend Lj von ihrem Planeten stationiert.

    Wie auch immer, deine Idee ist der Stoff zu einem spektulärem SciFi-Roman!

  4. Hallo Bynaus, Deine These steht und fällt m.E. damit, dass man kein zweites solches Objekt in näherer Zeit findet. Im Gegensatz dazu werden schon länger Asteroiden aus dem interstellaren Raum vermutet, die einfach bislang schwer zu entdecken waren. Natürlich könnten solche Sonden von verschiedenen Zivilisationen kommen, doch überrascht mich dann der Zeitpunkt, dass sie der Erde in so kurzer Zeit nacheinander einen Besuch abstatten, und zwar ausgerechnet dann, als wir gerade seit wenigen Jahren in der Lage sind, solche Asteroiden überhaupt zu entdecken. – Freundliche Grüsse, Ralf

    • Hallo Ralf, nun, das Problem ist ja, dass Oumuamua sich nicht wie ein Asteroid verhält. Bei einem Asteroiden sollte der Lichtdruck nichts ausmachen. Natürlich ist es nicht sicher, dass der Lichtdruck für die Bahnabweichung verantwortlich ist. Es ist für mich gut denkbar, dass das nächste interstellare Objekt sich wie ein ganz normaler Asteroid verhält – das wäre ein Hinweis darauf, dass Oumuamua speziell war. Gerade heute war übrigens ein Preprint auf arxiv (https://arxiv.org/abs/1810.12766), wonach wir vielleicht schon vor vier Jahren einen ersten interstellaren Besucher hatten. Dieser scheint allerdings ein ganz „normaler“ Komet gewesen zu sein.

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