Amateurastronom auf der Krim entdeckt “kosmische Flaschenpost”

Die Sterne sind für uns derzeit unerreichbar. Wir haben keine Chance, eine Raumsonde dorthin zu fliegen und die dortigen Planeten und Asteroiden aus der Nähe zu studieren. Aber in Form von interstellaren Kometen oder Asteroiden, die etwa durch einen großen Planeten oder von einem vorbeifliegenden Stern in den interstellaren (d.h. zwischen den Sternen befindlichen) Raum katapultiert wurden, kann Material anderer Sonnensysteme bis zu uns gelangen, eine Art “kosmische Flaschenpost”, die uns Details über diese Sternsysteme verrät. Und damit auch über unser Sonnensystem.

 

Der erste Botschafter von den Sternen

Noch nie hatte man jedoch ein Objekt im Sonnensystem gefunden, das nachweislich von einem anderen Stern stammte. Bis vor knapp 2 Jahren am 19. Oktober 2017 das Objekt mit der vorläufigen Bezeichnung C/2017 U1 vom Pan-STARRS-Teleskop auf Hawaii entdeckt wurde – die Bezeichnung für einen langperiodischen Kometen (U1 steht für die Monatshälfte, in der er entdeckt wurde). Als man erkannte, dass seine Geschwindigkeit höher als die Fluchtgeschwindigkeit der Sonne war, gab man ihm als endgültige Bezeichnung eine völlig neuartige Katalognummer: 1I/2017 U1, wobei 1 bedeutet, dass es das erste Objekt der neuen Klasse I war und I für “interstellar” steht. Das Objekt stammte nicht aus dem Sonnensystem, sondern es kam von den Sternen. Ein echtes Alien!

Bis heute weiß man nicht so genau, um welche Art von Objekt es sich bei dem gemäß seiner Lichtkurve anscheinend zigarrenförmig langgestreckten 1I/2017 U1 eigentlich handelt, dem alsbald der Name 1I/’Oumuamua¹ gegeben wurde, was soviel wie “Botschafter aus der Ferne” auf Hawaiianisch bedeutet: ob es ein Komet ist, der nicht mehr ausgast, oder ein Asteroid, der sich anscheinend schneller von der Sonne entfernte, als ein Asteroid das hätte tun sollen (was allerlei seltsame Erklärungen auf den Plan rief). Leider entdeckte man ‘Oumuamua erst, als er sich schon von Sonne und Erde entfernte und so blieb mit 80 Tagen kaum Zeit, ihn zu erforschen. Er wurde auch nie viel heller als 20. Größenklasse (20^m).

 

Lange hatte man auf ‘Oumuamua warten müssen und es war völlig unklar, wie lange es dauern würde, bis das nächste interstellare Objekt gefunden ist. Es ging schneller als gedacht: am 30. August entdeckte der Amateurastronom Gennadi Borisow auf der Krim mit einem selbstgebauten 65-cm-Spiegelteleskop den (eindeutigen) Kometen C/2019 Q4, der, wie sich herausstellen sollte, ebenfalls schneller als mit Fluchtgeschwindigkeit unterwegs ist – viel schneller. Und genau dies verrät Objekte, die nicht zum Sonnensystem gehören.

 

Exzentrische Bahnen

Wenn ein Objekt die Sonne umkreist, tut es das gemäß Keplers 1. Gesetz auf einer Ellipsenbahn. Die Form der Ellipse wird dabei durch die (numerische) Exzentrizität e beschrieben, in die das Verhältnis der größten und kleinsten Halbmesser a und b der Ellipse zum Quadrat eingeht; die Formel lautet e=√(1-b²/a²). Bei einer Kreisbahn sind beide gleich, kürzen sich zu 1 weg und demnach ist e=0. Je größer a im Verhältnis zu b wird, desto flacher wird die Ellipse und weil b²/a² dann immer kleiner wird, nähert sich die Exzentrizität der 1.

Ist a unendlich viel größer als b, die Ellipse also in eine Richtung hin offen, dann erhält man eine Parabel mit der Exzentrizität 1. Ein Objekt befindet sich auf einer Parabelbahn, wenn der sonnenfernste Punkt im Unendlichen liegt, also das Objekt die Sonne verlässt und erst im Unendlichen zum Stillstand käme (unendlich bedeutet hier nur: weit genug; in der Praxis geriete es vorher in den Einflussbereich anderer Sterne und der Milchstraße, die seine Bahn dann verändern würden – zurück zur Sonne käme es sicherlich nicht mehr). Umgekehrt gilt, dass ein Objekt, welches im Unendlichen ruht und von der Sonne angezogen wird, auf einer Parabelbahn auf sie zufällt und sich dann nach einer Umlenkung um 180° wieder ins Unendliche entfernt. Kometen aus der Oortschen Wolke befinden sich weit genug weg und bewegen sich hinreichend langsam, so dass sie sich, wenn sie etwa durch einen vorbeifliegenden Stern durcheinander gewirbelt und dabei zufällig in Richtung Sonne abgelenkt werden, im Rahmen der Messgenauigkeit auf einer Parabelbahn bewegen. Eine Bahnexzentrizität nahe 1 weist daher auf ein Objekt aus der Oortschen Wolke hin.

Bewegt sich ein Objekt im Unendlichen bereits mit einer Anfangsgeschwindigkeit auf die Sonne zu, von der es zusätzlich angezogen wird, so bewegt es sich auf einer Hyperbelbahn. Bei einer Hyperbel wird die Flugrichtung um weniger als 180° umgelenkt. Auch für Hyperbeln lässt sich eine Exzentrizität definieren, die stets größer als 1 und nach oben unbegrenzt ist – eine Hyperbel mit Exzentrizität nahe 1 sieht einer Parabel mit 180° Kursumkehr ähnlich, während sich die Hyperbeläste für gegen unendlich wachsendes e zu einer durchgehenden Geraden auseinander biegen. Bei 90° Ablenkung – man denke sich den Graphen der Funktion f(x)=1/x – ist die Exzentrizität √2 = 1,41.

Die Exzentrizität der Bahn von ‘Oumuamua war mit 1,2 groß genug, um auch mit einer gewissen Reserve für Messfehler keine Parabel sein zu können und die Bahn damit eindeutig hyperbelförmig (siehe Bild oben). ‘Oumuamua war auch keinem Planeten nahe gekommen, der ihn hätte zusätzlich beschleunigen und eine anfänglich parabelförmige Bahn in eine Hyperbel hätte ändern können (wie das bei ein paar zuvor gefundenen Kandidaten mit e>1der Fall gewesen war). Die Flugbahn wurde von der Sonne um deutlich mehr als 90° umgelenkt.

 

König der Exzentrizität

Borisovs Komet ist noch keine 3 Wochen entdeckt und daher ist die beobachtete Bahn nur kurz und noch recht unsicher, aber alle Messungen deuten auf eine Exzentrizität zwischen 3,0 und 3,7(!) hin. Drei-Komma-Sieben. Noch nie wurde ein Objekt entdeckt, das eine Exzentrizität auch nur des halben Werts gehabt hätte. Die Bahn des Kometen erfährt durch die Sonne nur eine kleine Ablenkung und er schießt geradezu durch das Sonnensystem hindurch. Wie ‘Oumuamua durchstößt er die Ebene der Planetenbahnen in einigermaßen steilem Winkel von 43° und konnte deshalb ebenfalls keinem Planeten nahe kommen, der ihn hätte beschleunigen können – bei dieser Exzentrizität wäre das ohnehin ausgeschlossen gewesen. Er dürfte also sehr bald schon die Bezeichnung 2I/Borisov erhalten.

Und das Erfreuliche ist, C/2019 Q4 ist noch auf dem Weg zu seinem sonnennächsten Punkt, den er mit fast genau 2 AE knapp außerhalb der Marsbahn am 8. Dezember erreichen wird. Mars ist ganz in der Nähe und hat Logenblick, die Erde hingegen derzeit leider noch auf der gegenüberliegenden Seite der Sonne, 3 AE entfernt, aber sie wird sich dem Kometen am 27. Dezember bis auf 1,96 AE nähern. Borisov wird deshalb noch heller werden (derzeit 18^m, rund 15^m werden erwartet; ‘Oumuamua erreichte nur 19,7^m) und damit in den Bereich von (üblichen) Amateurteleskopen und -kameras rücken und bis etwa April 2020 mit solchen beobachtbar sein. Erst in einem Jahr wird seine Helligkeit voraussichtlich unter 23^m fallen und er bis zum Jahresende 2020 auch für die großen Sternwarten langsam verblassen. Das lässt genug Zeit, dass die besten Teleskope der Welt ihn aufs Korn werden nehmen können.

Als Komet lässt sich seine Zusammensetzung aus dem Spektrum seines reichlich versprühten Gases ermitteln, was beim gaslosen ‘Oumuamua schwieriger war.

 

Obduktion eines Aliens

Was wissen wir schon über diesen Alien? Seine Anfangsgeschwindigkeit, mit der er sich der Sonne näherte, betrug 33,8±0,6 km/s [2] (‘Oumuamua hatte sich mit 26 km/s angenähert). Das ist die typische Geschwindigkeit von Sternen in der Umgebung der Sonne, die selbst mit 20 km/s relativ zum “local standard of rest” unterwegs ist, einem gedachten, auf einer Kreisbahn am Ort der Sonne um das Zentrum der Milchstraße befindlichen Bezugspunkt. Borisov kaum aus Richtung des Sternbilds Kassiopeia, etwa 70° von dem Punkt im Sternbild Leier entfernt, auf den sich die Sonne zu bewegt, also beinahe rechtwinklig zu ihrer Bewegungsrichtung. Laut Meldung des JPL dürfte der Kometenkern zwischen 2 und 16 km durchmessen [3].

Die ersten teleskopischen Aufnahmen mit dem 8,2-m-Gemini-Nord-Teleskop auf Hawaii und dem 4,2-m-William-Herschel-Teleskop auf der Kanareninsel La Palma durch Piotr Guzik et al. [1] gestalteten sich schwierig, da der Komet nur 40° von der Sonne entfernt stand (die wenigstens 18° unter dem Horizont stehen muss, damit es richtig “astronomisch” dunkel ist), so dass zunächst nur die Farbe gemessen wurde. Der Komet ist rötlich und ähnelt in der Farbe den langperiodischen Kometen der Sonne, die aus der Oort-Wolke ins innere Sonnensystem kommen. Julia de León et al. [2] nahmen dann ein erstes grobes Spektrum mit dem Gran Telescopio Canarias (GranTeCan) auf La Palma auf, dem derzeit größten Teleskop der Welt. Das Spektrum ähnelt dem von Asteroiden des Typs D, wie sie im äußeren Asteroidengürtel und als Trojaner des Jupiter zu finden sind. Man nimmt an, dass sie aus dem Kuiper-Gürtel, also Plutos Umgebung stammen. Die rote Farbe bei Pluto oder dem von New Horizons besuchten Kuipergürtel-Objekt (486958) 2014 MU₆₉ (“Ultima Thule”) rührt von Tholinen her, organischen Verbindungen, die unter UV-Bestrahlung aus gefrorenem Methan und Ammoniak entstanden sein sollen, und bei Borisov könnte die Farbe ebenfalls auf Tholine zurückgehen. Das zeigt schon einmal, dass in dem fremden Planetensystem, aus dem Borisov stammt, die gleichen Stoffe vorhanden und die gleichen Prozesse am Werk waren, wie in unserem Sonnensystem. Um Unterschiede zu solaren Kometen aufzuspüren, wird es besserer Spektren bedürfen, die sich erst aufnehmen lassen, wenn der Komet etwas mehr Winkelabstand zur Sonne gewonnen hat.

 

Dem Kometen auf die Pelle rücken?

Noch spannender wären natürlich Nahaufnahmen. Allerdings bräuchte man zur Vorbereitung einer Mission zu einem Kometen rund 5 Jahre [4] und bis dahin ist Borisov unerreichbar. Aber die ESA plant eine Mission namens Comet Interceptor [5], eine Raumsonde, die 2028 gestartet werden soll und dann im Lagrange-2-Punkt des Erde-Sonne-Systems darauf warten soll, dass ein Komet, der die Sonne zum ersten Mal besucht, ins innere Sonnensystem kommt, um dann nahe an ihm vorbei zu fliegen, denn alle bisher besuchten Kometen haben die Sonne schon tausende Male umrundet und wurden von ihrer Wärme verändert. Man möchte das erste Mal einen frischen Kometen näher untersuchen und dazu muss man ihm gewissermaßen auflauern.

Bis dahin wird das Large Synoptic Survey Telescope (erstes Licht voraussichtlich 2020) den kompletten Nachthimmel zweimal die Woche bis über 25^m Grenzgröße aufnehmen und potenziell Objekte wie Borisov bereits jenseits der Saturnbahn und damit Jahre vor ihrem Flug durch das innere Sonnensystem aufspüren können, was die Chancen für die Entdeckung weiterer interstellarer Kometen gewaltig erhöhen wird. So könnte der Comet Interceptor statt eines Oort-Kometen vielleicht sogar einen interstellaren Kometen anfliegen und uns somit die erste Nahansicht eines Objekts aus einem anderen Sonnensystem liefern. Darauf hoffen jedenfalls die für die Sonde verantwortlichen Wissenschaftler.

Warten wir aber zunächst ab, welche Erkenntnisse wir dem Kometen Borisov von der Erde aus abgewinnen können.

 

Referenzen

[1] Piotr Guzik, Michał Drahus et al., “Interstellar comet 2I/Borisov”, 12. September 2019, arXiv:1909.05851.

[2] Julia de León, Javier Licandro et al., “Interstellar Visitors: A Physical Characterization of Comet C/2019 Q4 (Borisov) with OSIRIS at the 10.4 m GTC“, preprint AAS20106, 13. September 2019,.

[3] JPL, “Newly Discovered Comet Is Likely Interstellar Visitor“, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 12. September 2019.

[4] en.wikipedia.org, “C/2019 Q4 (Borisov)“.

[5] Jonathan O’Callaghan, “European Comet Interceptor Could Visit an Interstellar Object“, Scientific American, 24. Juni 2019.