Den 19 oktober 2017 observerade astronomer med Pann-STARRS-undersökningen ett interstellärt objekt som passerade genom vårt system—1I/2017 U1 'Oumuamua. Detta var första gången en ISO upptäcktes, vilket bekräftar att sådana föremål passerar genom solsystemet regelbundet, som astronomer förutspådde årtionden tidigare. Bara två år senare upptäcktes ett andra objekt, den interstellära kometen 2I/Borisov. Med tanke på 'Oumuamuas ovanliga natur (fortfarande en källa till kontroverser) och den information som ISO kan avslöja om avlägsna stjärnsystem, är astronomer angelägna om att få en närmare titt på framtida besökare.
Till exempel har flera förslag lagts fram för rymdfarkoster med interceptor som skulle kunna komma ikapp med framtida ISO:er, studera dem och till och med genomföra ett provåtervändande (som ESA:s Comet Interceptor). I ett nytt dokument från ett team från Southwest Research Institute (SwRI), studerade Alan Stern och hans kollegor möjliga koncept och rekommenderade ett specialbyggt robotiskt ISO-flygförbiuppdrag som kallas Interstellar Object Explorer (IOE). De visar också hur detta uppdrag kan utföras på en blygsam budget med nuvarande rymdfärdsteknologi.
Studien utfördes av Alan Stern, huvudutredaren för NASA:s New Horizons-uppdrag, och hans kollegor vid Southwest Research Institute (SwRI) i Boulder, Colorado. Detta inkluderade rektor Silvia Protopapa, chef Matthew Freeman, forskare/regissör Joel Parker och systemingenjör Mark Tapley. De fick sällskap av Cornell Research Associate Darryl Z. Seligman och Caden Andersson, en forskare vid det Colorado-baserade företaget Custom Microwave Inc. (CMI). Deras artikel publicerades den 5 februari 2024 i tidskriften Planetary and Space Science .
Sedan 'Oumuamua först surrade vårt system, har forskare tilldelat ISO:er ett högt värde, som representerar material som kastas ut från andra solsystem. Genom att ta prover och studera dem på nära håll kunde vi lära oss mycket om bildandet av andra stjärnor och planeter utan att faktiskt skicka uppdrag dit. Vi skulle också kunna lära oss mycket om det interstellära mediet (ISM) och hur organiskt material, och kanske till och med byggstenarna för livet, är fördelat över hela galaxen (alias Panspermia Theory). Som de säger i sin tidning:
"ISOs representerar resterna från bildandet av planetsystem runt andra stjärnor. Som sådan ger deras studie viktiga nya insikter om de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos skivorna som de härstammar från. Dessutom en omfattande analys av deras sammansättning, geologi och aktivitet kommer att belysa processerna bakom bildandet och utvecklingen av planetesimaler i andra solsystem.
"Nära möten med små kroppar i vårt solsystem har avsevärt förbättrat vår förståelse av dessa objekt, kontextualiserat våra markbaserade observationer och förstärkt vår kunskap om planetesimala formationsmodeller. På samma sätt lovar en nära förbiflygning av en ISO att vara lika transformerande. Det står som det logiska nästa steget i att utforska den tidiga historien om både vårt solsystem och exoplanetära system."
Dessutom har befolkningsstudier av ISO:er visat att cirka sju passerar vårt solsystem varje år. Samtidigt har annan forskning visat att vissa fångas med jämna mellanrum och fortfarande är här. När nästa generations instrument tas i bruk, förutser forskarna att det kommer att ske en betydande ökning av antalet ISO-upptäckter i slutet av 2020-talet och 2030-talet. Detta inkluderar Vera C. Rubin-observatoriet som för närvarande är under uppbyggnad i Chile, som förväntas samla sitt första ljus i januari 2025.
Forskare räknar med att observatoriet kommer att samla in data om mer än 5 miljoner objekt i asteroidbältet, 300 000 Jupiter-trojaner, 100 000 objekt nära jorden och mer än 40 000 objekt i Kuiperbältet. De uppskattar också att den kommer att upptäcka cirka 15 interstellära objekt under sin första 10-åriga körning, känd som Legacy Survey of Space and Time – även om andra uppskattningar säger upp till 70 ISO per år. För sin studie antar Stern och hans kollegor att alla ISO:er inom ett avstånd av ungefär två gånger avståndet mellan jorden och solen (2 AU) skulle vara tillräckligt ljusa för att kunna upptäckas av LSST.
Som Stern och hans kollegor förklarar i sin uppsats, skulle deras föreslagna IOE ha två huvudsakliga vetenskapsmål. Dessa inkluderar att bestämma "sammansättningen av ISO för att ge insikter om dess ursprung och utveckling." Som nämnts skulle dessa studier ge ovärderlig information om de initiala förhållandena för ISO:s värdsolsystem. I detta avseende skulle IOE tillhandahålla information liknande vad New Horizons-uppdraget avslöjade om Kuiperbältsobjektet Arrokoth eller hur ESA:s Rosetta-uppdrag upptäckte livets byggstenar i kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko.
För det andra skulle IOE bestämma eller begränsa "naturen, sammansättningen och källorna till ISO-komaaktiviteten och bestämma de processer som är ansvariga för [den] observerade aktiviteten." Vanligtvis är komaaktivitet ett resultat av att is sublimeras när objekt närmar sig en stjärna, vilket frigör dammkorn och eldfasta organiska molekyler från kärnan. Som tidigare observationer har visat beror kometernas aktivitet på solvärme och kometens egna fysiska egenskaper. Som Stern och kollegor uttryckte i sin tidning:
"Genom att karakterisera sammansättningen och den rumsliga fördelningen av en ISOs koma, kan IOE direkt bestämma de primära komponenterna i dess mål-ISO, identifiera mekanismerna bakom komaaktivitet och fördjupa våra insikter om sammansättningen och processerna som finns i dess protoplanetära formationsskiva, där planetesimals som om det skulle bildas... Dessutom kan en jämförelse av de fysikaliska egenskaperna (d.v.s. den kemiska sammansättningen, storleksfördelningen, typen av blandning) hos isar och eldfasta material i koma med de på ytan ge insikter i potentiella processer som kan ha modifierat ytorna. "
Baserat på dessa vetenskapliga mål listade Stern och hans kollegor vilka instrument IOE skulle behöva. Dessa inkluderar:
Nästa upp är designen av själva rymdfarkosten, som dikteras av ISO:s kortlivade natur. Som 'Oumuamua och Borisov visade, betyder hastigheten för ISO:er att de sannolikt kommer att förbli oupptäckta tills de är nära den inre kanten av det huvudsakliga asteroidbältet. Dessutom innebär deras hyperboliska banor att de sannolikt kommer att glida runt vår sol och blir oåtkomliga kort efter att de har upptäckts. Sist är det placeringen av själva avlyssningsuppdraget, som direkt påverkar rymdfarkostens förmåga att distribuera och nå målet ISO.
För sin studie valde Stern och hans team en "lagringsbana" plats vid jordmånen L1 Lagrange Point, belägen mellan jorden och månen. Denna plats har flera fördelar, framför allt hur en rymdfarkost som är placerad kommer att behöva generera väldigt lite dragkraft för att uppnå flykthastighet - vilket betyder att det mesta av dess tillgängliga acceleration (delta-v) kommer att riktas mot dess interceptbana. Den här lagringsbanan innebär också mindre drivmedel och mindre tid behövs för att komma igång, och möjliggör en snabb gravitationsassistans från en förbiflygning nära jorden.
För sin studie satte Stern och hans team en detekterbarhetsgräns på 2 AU och simulerade ISO:er med en medelhastighet på 32,14 km/s (~20 mps) och en närmast solinflygning på 10 AU eller mindre. Andra begränsningar som ansågs inkluderade positionerna för jorden och ISO vid tidpunkten för dess upptäckt, ISO:s omloppsparametrar, det maximala avståndet som ett uppdrag kunde fånga upp en ISO (aka "den heliocentriska spärrningsradien") och den relativa hastigheten mellan rymdfarkosten och ISO. För att effektivt analysera dessa data genererade teamet en algoritm för att optimera avlyssningsbanan och etablera en liten delmängd av ISO:er som skulle kunna fångas upp.
De simulerade alla dessa beräkningar under en period av 10 år och (med tidigare uppdrag som prejudikat) härledde flera nyckelparametrar. Som de fastställde skulle uppdraget behöva klara en acceleration (delta-v) på 3,0 km/s, fastställa en minsta förbiflygningshöjd på 400 km (~250 mi), avlyssna ISO inom 3 AU från solen, och uppnå en förbiflygningshastighet på 100 km/s (62 mps). Med denna "detekterbarhetssfär" etablerad fann de att chanserna för en lyckad avlyssning ökade avsevärt vid högre hastigheter – 3 till 3,9 km/s (1,86 till 2,4 mps) – och på avstånd närmare 3 AU.
Studiet av ISO är ett växande område av astronomisk forskning som omfattar nästa generations observatorier (som Vera Rubin) och föreslagna avlyssningsuppdrag. Utöver IOE har liknande koncept föreslagits sedan upptäckten av 'Oumuamua och 2I/Borisov – inklusive Project Lyra, ett förslag från Institutet för interstellära studier (i4is). Även om ett sådant uppdrag kan ta flera år från genomförandet, kommer detaljerade studier som detta att hjälpa till att informera nästa utvecklingsfas – utformningen och testningen av själva uppdragskoncepten.
Stern och hans kollegor erkänner att det behövs mer forskning innan detta kan hända men betonar att deras arbete är ett viktigt första steg. "Mer detaljerat arbete kommer att behövas för att bättre förbereda uppdragskonceptet som ska föreslås för en framtida NASA-uppdragsmöjlighet", skriver de, "men den här rapporten ger uppdragets grundläggande mål, nyckelkrav och attribut som utgångspunkt."
Mer information: S. Alan Stern et al, En studie av ett uppdrag för interstellärt objekt utforskare (IOE), Planetary and Space Science (2024). DOI:10.1016/j.pss.2024.105850
Tillhandahålls av Universe Today
