Wir haben die Technologie, um eine Probe von einem interstellaren Objekt wie Oumuamua abzurufen

Auf 19. Oktober 2017 Astronomen waren erstaunt, als sie erfuhren, dass ein interstellares Objekt (genannt 'Oumuamua) auf seinem Weg aus dem Sonnensystem an der Erde vorbeiflog. Jahre später diskutieren Astronomen immer noch, was dieses Objekt war – a Kometenfragment , zu Wasserstoff Eisberg , oder ein außerirdisches Sonnensegel ? Darüber hinaus ist die Ankunft von 2I / Borisov zwei Jahre später zeigte, wie interstellare Objekte (ISOs) regelmäßig in unser Sonnensystem eindringen (einige bleiben sogar!)

Kein Wunder also, warum Vorschläge gemacht werden, um Missionen zu entwerfen, die sich beim nächsten Vorbeifahren mit einem interstellaren Objekt treffen könnten. Eine solche Mission ist Projekt Lyra , ein Konzept, das von Forschern der Initiative für Interstellare Studien (i4is). Kürzlich hat ein internationales Team unter Leitung des I4IS ein Weißbuch entworfen, das dem 2023-2032 Planetarische Wissenschaft und Astrobiologie Dekadische Umfrage .

Das Team hinter der Zeitung mit dem Titel „ Interstellar jetzt! Missionen zu und Probenrückgaben von nahegelegenen interstellaren Objekten “ wurde von Andreas Hein und Marshall Eubanks von i4is geleitet und Weltrauminitiativen Inc . Zu ihnen gesellten sich Mitarbeiter aus der Pariser Observatorium , das Florida Institute of Technology (Passen die Institut für Theorie und Informatik (ITC), die Technische Universität München (TUM) und die FH Aachen FH .

Künstlerische Illustration eines Lichtsegels, das von einem Funkstrahl (rot) angetrieben wird, der auf der Oberfläche eines Planeten erzeugt wird. Bild: M. Weiss/CfA

Gegründet durch die NASA Authorization Acts von 2005 und 2008, Nationale Akademien begann mit der Durchführung der Decadal Surveys, um Vorschläge für weltraumgestützte Missionen, bodengestützte Einrichtungen und Infrastruktur zu prüfen und die Forschung zu unterstützen, die dazu beitragen wird, die Weltraumforschung und die Planetenforschung im kommenden Jahrzehnt voranzutreiben.

Der Decadal Survey 2023 – 2032 wird voraussichtlich ein bedeutsames Ereignis mit Vorschlägen für Missionen, die es uns ermöglichen, viel mehr über das Universum, in dem wir leben, zu erfahren. Ein besonders heißes Thema sind derzeit Exoplaneten, deren Erforschung explodiert ist in den vergangenen Jahren. Bisher, 4.201 bestätigt worden, die überwiegende Mehrheit innerhalb des letzten Jahrzehnts, während ein anderer 5.481 Kandidaten auf Bestätigung warten.

Wie Hein und seine Kollegen in ihrem Papier andeuten, wird die Einführung von boden- und weltraumgestützten Teleskopen der nächsten Generation in den kommenden Jahren Astronomen die Möglichkeit bieten, Exoplaneten direkt abbilden und prägen ihre Atmosphären wie nie zuvor. Um wirklich tiefe Einblicke in ferne Planeten zu erhalten und festzustellen, ob das Leben dort tatsächlich gedeiht, müssen wir sie leider aus der Nähe untersuchen.

Künstlerische Darstellung des ersten interstellaren Asteroiden/Kometen „Oumuamua“. Dieses einzigartige Objekt wurde am 19. Oktober 2017 vom Pan-STARRS-1-Teleskop auf Hawaii entdeckt. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Leider ist es extrem teuer und zeitaufwendig, Missionen zu anderen Sternensystemen zu senden. Wie Andrea Hein und Kollegen Universe -Today per E-Mail erklärten:

„Die Beobachtung von Exoplaneten von der Erde aus wird sich in Zukunft sicherlich verbessern und wir können möglicherweise sagen, ob auf ihnen einige Lebensformen existieren. Dies ersetzt jedoch nicht, dorthin zu gehen und sie aus nächster Nähe zu betrachten. Die Haupteinschränkung besteht darin, dass exoplanetare Systeme unglaublich weit entfernt sind.

„Das nächste Sternsystem, das Alpha Centauri-System, ist 4,3 Lichtjahre entfernt… Nun ist das am weitesten entfernte Objekt, das die Menschheit je in den Weltraum geschickt hat, die Voyager-Sonden, derzeit nur etwa 0,06 % dieser Entfernung entfernt. Um dorthin zu gelangen, brauchen wir eine neue bahnbrechende Technologie.“

Eine solche Idee ist Durchbruch Starshot , ein Vorschlag, ein winziges Raumschiff mit einem Lichtsegel und einem leistungsstarken Laser-Array nach Alpha Centauri zu schicken. Prof Manasvi Lingam – Assistenzprofessor am FIT, Forscher am ITC und Co-Autor des Papers – hat zahlreiche Studien zu diesem Thema mitverfasst sowie Prof. Abraham Loeb (Gründer des ITC und Vorsitzender des Breakthrough Starshot Advisory Committee).

Wie Lingam, Hein und ihre Kollegen erklärten, werden diese Art von Raumfahrzeugen jedoch nach neuesten Schätzungen erst in den 2050er Jahren gestartet. Bei einer Reisezeit von etwa 20 Jahren bedeutet dies, dass die frühesten Daten von diesen Will Probes erst in den 2070er Jahren zu erhalten sind. Und angesichts der Größe der Sonden und ihrer Instrumente sind die Daten wahrscheinlich begrenzt.

Künstlerische Darstellung des interstellaren Kometen C/2019 Q4 Borisov. Bildnachweis: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Das Vorhandensein von ISOs in unserem Sonnensystem bietet jedoch die Möglichkeit, extrasolare Planeten und ihre Systeme zu studieren, ohne die oben genannten Herausforderungen und Einschränkungen ertragen zu müssen. In ihrer Arbeit zeigten Hein und seine Kollegen durch eine Reihe von Analysen, dass der Besuch dieser Objekte mit Raumfahrzeugen auf ihrem Weg durch das Sonnensystem durchaus machbar ist.

Ihre Analysen wiederholen die Argumente, die ursprünglich in vorgebracht wurden 2017 kurz nach ‘Oumuamua durch das Sonnensystem gegangen und wieder in 2019 mit der Ankunft von 2I/Borisov . In diesen Studien schlug das i4is-Team beispielsweise vor, wie eine Mission ähnlich dem Konzept wieSternenschuss(bekannt alsProjekt Lyra) könnte eine zukünftige ISO abfangen und genau untersuchen. Wie Hein und seine Kollegen illustrierten:

„Das Grundprinzip, zu einer ISO zu gehen, ist: Wenn der Prophet nicht zum Berg gehen kann, soll der Berg zum Propheten kommen. ISOs sind Objekte, die aus verschiedenen Gründen von exoplanetaren Systemen ausgestoßen wurden und durch unser Sonnensystem fliegen. ISOs sind wie „Manna aus dem tiefen Himmel“. Dies entspricht einem Wanderzoo. Man kann eine Vielzahl dieser Objekte unterschiedlichster Herkunft beobachten und besuchen, ohne zu den Sternensystemen ihres Ursprungs gehen zu müssen.“

In ihrem Papier untersuchte das Team drei Arten von Missionsprofilen, die mit der heutigen Technologie montiert werden könnten. Dazu gehörten Flybys, Rendezvous und Proberückkehrmissionen. In Bezug auf Vorbeiflüge, die dem ähnlich wären, was die Neuer Horizont 's Raumschiff durchgeführt mit Pluto und Arrokoth , würde die Raumsonde nicht verlangsamen und Bilder und Daten sammeln, während sie am ISO vorbeiflog.

Nahinfrarotaufnahme der Mondoberfläche durch den Moon Mineralogy Mapper der NASA bei der Chandrayaan-1-Mission der indischen Weltraumforschungsorganisation. Bildnachweis: ISRO/NASA/JPL-Caltech/Brown Univ./USGS

Sie berücksichtigen jedoch auch einen Impaktor, eine kleine Untersonde, die auf einen Körper aufprallt, um eine Wolke zu erzeugen, die dann vom Raumfahrzeug gesammelt und untersucht werden kann. Die Untersuchung dieser Partikel oder des beim Aufprall erzeugten Lichts mit einem Spektrometer würde Geheimnisse über ihre Zusammensetzung aufdecken. Dies ist vergleichbar mit dem, was die NASA und Indien mit ihren Mondkrater-Beobachtungs- und Sensorsatellit (LCROSS) und die Chandrayaan-1 Sonde.

Als nächstes gibt es die Möglichkeit einer Rendezvous-Mission, die nach Angaben des Teams technisch anspruchsvoller ist, aber zahlreiche wissenschaftliche Vorteile bietet. Sagte das Team:

„Eine Rendezvous-Mission ist anspruchsvoller, da sie erfordert, dass das Raumfahrzeug abgebremst wird, um die ISO zu landen oder zu umkreisen… Eine Rendezvous-Mission hat den Vorteil, dass das Raumfahrzeug mehr Zeit hat, das Objekt zu beobachten. Es kann Proben von seiner Oberfläche sammeln und Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln aufnehmen.“

Schließlich besteht die Möglichkeit einer Probenrückgabemission, die Technologien und Fachwissen aus einer Reihe von Missionen nutzen würde, die in den letzten zwei Jahrzehnten gestartet wurden. Dazu gehört auch die NASA Sternenstaub Kometenproben-Rückkehr-Mission – die erste Mission ihrer Art, die sich mit einem Kometen (Wild 2) traf und bis 2006 Proben zur Erde zurückbrachte – und die neuere OSIRIS-REx und Hayabusa / Hayabusa2 Missionen.

Künstlerisches Konzept einer bimodalen Atomrakete, die die Reise zum Mond, Mars und anderen Zielen im Sonnensystem macht. Bildnachweis: NASA

Hein und seine Kollegen wiesen auch darauf hin, dass Missionen zu ISOs den Vorteil haben, dass sie mit bestehenden Technologien möglich sind. Spezifische Beispiele sind Trägerraketen wie die von SpaceX Falke Heavy , die Hitzeschildtechnologie der NASA Parker Solarsonde und chemische Standardtreibstoffe. Das sei nur die Spitze des Eisbergs, so Lingam, denn viele Technologien seien derzeit nicht im Einsatz, aber dennoch machbar:

„In unserem Papier werden drei große Klassen von Technologien beschrieben. Die erste sind gute altmodische chemische Raketen, aber sie eignen sich in erster Linie für Vorbeiflug-Missionen, von denen erwartet wird, dass sie relativ begrenzte wissenschaftliche Informationen liefern. Das zweite ist solarelektrischer Antrieb , was für Rendezvous-Missionen bequemer ist und In-situ-Analysen ermöglicht. Das dritte ist noch nicht ganz realisiert – nuklearer thermischer Antrieb – obwohl es im Rahmen der aktuellen Technologie bleibt. Seine wahre Attraktivität ergibt sich aus der Erwartung, dass es Probenrückführungsmissionen zur Erde ermöglichen könnte.“

Ein kleiner Vorbehalt ist, dass Astronomen aufgrund von Störungen in ihrer Flugbahn sehr schwer feststellen können, woher ein ISO ursprünglich stammt. Es wird auch dadurch eingeschränkt, dass alle Missionen, die wir durchführen, auf Objekte beschränkt sind, die so aus ihrem System herausgeschleudert wurden, dass die Gesetze der Physik und des interstellaren Mediums sie in unserem Sonnensystem ablagern konnten.

Schwierig bedeutet jedoch nicht, dass es unmöglich ist, wie Forscher mit beiden gezeigt haben 'Zuerst und 2I / Borisov . Basierend auf den Beobachtungen beider ISOs konnten die Forscher viel über die Art von Umgebungen postulieren, in denen sie sich wahrscheinlich gebildet haben (auch wenn sie ihre Heimsysteme nicht bestimmen konnten).

Unabhängig von den Herausforderungen und Einschränkungen wird das Senden von Missionen zur Inspektion (und möglicherweise auch für die Rückgabe von Proben) eine Fülle von Daten über ISOs preisgeben. Wie Hein und seine Kollegen zusammenfassen:

„Vom astrophysikalischen und astrochemischen Standpunkt aus würden sie es uns ermöglichen, die verschiedenen Mechanismen zu verstehen, durch die diese Objekte gebildet und ausgestoßen werden, die chemische Zusammensetzung anderer Planetensysteme und wie sie sich von unserem unterscheiden, die galaktische Geschichte der ISO-Bildung und die Interaktionen von ISOs mit dem interstellaren Medium und der galaktischen kosmischen Strahlung während ihrer Reise. Sie werden auch den Bestand und die Häufigkeiten von präbiotischen Molekülen beleuchten, die diesen Objekten innewohnen. In einem sehr optimistischen Szenario könnten sie sogar Spuren von ausgestorbenem (oder erhaltenem) Leben in Form von molekularen Biosignaturen offenbaren.“

Hein und seine Kollegen sind mit ihrer Einschätzung kaum allein, weshalb mehrere Raumfahrtagenturen nach kostengünstigen, schnell einsetzbaren Raumfahrzeugkonzepten suchen, die sich mit ISOs treffen könnten. Ein solches Konzept ist das der ESA „Kometenabfangjäger“ , eine Mission der „schnellen Klasse“, die in den Weltraum geschickt werden könnte und bereit ist, eine ISO abzufangen, sobald sie in unser System eindringt.

Anfang des Jahres wurde bekannt, dass die Innovative fortschrittliche Konzepte der NASA (NIAC)-Programm hatte einem Team des MIT, das an einem dynamische Orbitalschleuder . Diese Idee ist die Idee von Richard Linares , ein Assistenzprofessor am Department of Aeronautics and Astronautics (AeroAstro) am MIT, der diese Schleuder vorgeschlagen hat, um ein Raumfahrzeug zu einem ISO einholen zu lassen, damit sie es aus der Nähe untersuchen können.

Künstlerisches Konzept einer Orbitalschleuder, die es einem Raumschiff ermöglicht, sich mit einem ISO zu treffen. Quelle: Richard Linares, MIT.

Ähnliche Missionen könnten an Objekten montiert werden, die innerhalb unseres Systems kreisen, da vorherige Studien haben gezeigt, dass im Laufe der Zeit Tausende von ISOs von unserem Sonnensystem erfasst worden sein könnten, die immer noch hier sind. Es wurde auch vorgeschlagen, dass ISOs, die sich derzeit in unserem kosmischen Hinterhof befinden, identifiziert und untersucht werden könnten, sobald die Vera Rubin-Observatorium kommt online – früher bekannt als the Großes synoptisches Vermessungsteleskop (LSST).

Die Ergebnisse dieser Forschung gehen über das Erlernen der Bedingungen in anderen Sternensystemen hinaus. Wenn Theorien zu Galaktische Panspermie über interstellare Objekte wahr sind, entdecken wir vielleicht, wie das Leben (oder die notwendigen Zutaten, um es in Gang zu bringen) ist durch die Galaxie transportiert . Sollten sich irgendwelche Objekte als interstellare Sonden herausstellen, werden Missionen zu ISOs endlich die uralte brennende Frage lösen: „ Sind wir allein im Universum? '

Mit Blick auf das nächste Jahrzehnt ist es offensichtlich, dass wir noch viel mehr über das Sonnensystem, Exoplaneten, unsere Galaxie und das Universum als Ganzes lernen werden. Dank Observatorien der nächsten Generation, Roboter-Raumschiffen und der lang erwarteten Rückkehr der Menschheit zum Mond mangelt es nicht an Gelegenheiten, unser Wissen über den Kosmos und unseren Platz darin zu erweitern.

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