‘Oumuamua gibi bir nesne tekrar ortaya çıktığında yıldızlararası bir nesne kaşifi ile hazır olabiliriz

19 Ekim 2017’de Pann-STARRS araştırmasını yürüten gökbilimciler, sistemimizden geçen yıldızlararası bir nesneyi gözlemlediler: 1I/2017 U1 ‘Oumuamua. Bu, gökbilimcilerin onlarca yıl önce tahmin ettiği gibi, bu tür nesnelerin güneş sisteminden düzenli olarak geçtiğini doğrulayan bir ISO’nun ilk kez tespit edilmesiydi. Sadece iki yıl sonra, yıldızlararası kuyruklu yıldız 2I/Borisov adında ikinci bir nesne tespit edildi. ‘Oumuamua’nın olağandışı doğası (hala bir tartışma kaynağı) ve ISO’ların uzak yıldız sistemleri hakkında ortaya çıkarabileceği bilgiler göz önüne alındığında, gökbilimciler gelecekteki ziyaretçilere daha yakından bakmak istiyorlar.

Örneğin, gelecekteki ISO’ları yakalayabilecek, bunları inceleyebilecek ve hatta örnek bir geri dönüş gerçekleştirebilecek (ESA’nın Comet Interceptor’ı gibi) önleyici uzay aracı için çok sayıda teklif yapılmıştır. Southwest Araştırma Enstitüsü’nden (SwRI) bir ekip tarafından hazırlanan yeni bir makalede Alan Stern ve meslektaşları olası kavramları incelediler ve Yıldızlararası Nesne Gezgini (IOE) adı verilen, amaca yönelik olarak tasarlanmış bir robotik ISO yakın uçuş misyonu önerdiler. Ayrıca bu görevin mevcut uzay uçuşu teknolojisiyle mütevazı bir bütçeyle nasıl gerçekleştirilebileceğini de gösteriyorlar.

Çalışma, NASA’nın Yeni Ufuklar misyonları Baş Araştırmacısı Alan Stern ve Boulder, Colorado’daki Güneybatı Araştırma Enstitüsü’ndeki (SwRI) meslektaşları tarafından yürütüldü. Bunlar arasında Baş Bilim Adamı Silvia Protopapa, yönetici Matthew Freeman, araştırmacı/yönetmen Joel Parker ve sistem mühendisi Mark Tapley vardı. Onlara Cornell Araştırma Görevlisi Darryl Z. Seligman ve Colorado merkezli Custom Microwave Inc. (CMI) şirketinde araştırmacı olan Caden Andersson da katıldı. Onların makalesi 5 Şubat 2024’te dergide yayımlandı Gezegen ve Uzay Bilimi.

Yıldızlararası nesneler (ISO’lar) bol miktarda bulunur

‘Oumuamua’nın sistemimizi ilk kez uyarmasından bu yana bilim insanları, diğer güneş sistemlerinden atılan malzemeleri temsil eden ISO’lara yüksek bir değer atadı. Örnekler alarak ve onları yakından inceleyerek, diğer yıldızların ve gezegenlerin oluşumu hakkında, oraya misyon göndermeden de çok şey öğrenebilirdik. Ayrıca yıldızlararası ortam (ISM) ve organik malzemenin ve hatta belki yaşamın yapı taşlarının galakside nasıl dağıldığı (diğer adıyla Panspermia Teorisi) hakkında da çok şey öğrenebiliriz. Makalelerinde belirttikleri gibi:

“ISO’lar, diğer yıldızların etrafındaki gezegen sistemlerinin oluşumundan arta kalanları temsil ediyor. Bu nedenle, çalışmaları, oluştukları disklerin kimyasal ve fiziksel özelliklerine ilişkin kritik yeni bilgiler sunuyor. Ek olarak, bunların bileşimi, jeolojisi ve aktivite, diğer güneş sistemlerindeki gezegenlerin oluşumu ve evriminin ardındaki süreçlere ışık tutacak.

“Güneş sistemimizdeki küçük cisimlerle yakın karşılaşmalar, bu nesnelere dair anlayışımızı büyük ölçüde geliştirdi, yer tabanlı gözlemlerimizi bağlamsallaştırdı ve gezegen oluşum modelleri hakkındaki bilgimizi geliştirdi. Benzer şekilde, bir ISO’nun yakın uçuşu da aynı derecede dönüştürücü olacağa benziyor. hem güneş sistemimizin hem de dış gezegen sistemlerimizin erken tarihini keşfetmede bir sonraki mantıklı adım olarak duruyor.”

Dahası, ISO’ların nüfus çalışmaları, her yıl yaklaşık yedi tanesinin güneş sistemimizden geçtiğini göstermiştir. Bu arada diğer araştırmalar bazılarının periyodik olarak yakalandığını ve hala burada olduğunu gösterdi. Bilim insanları, yeni nesil cihazların faaliyete geçmesiyle birlikte 2020’lerin sonlarında ve 2030’larda ISO keşiflerinin oranında önemli bir artış olacağını öngörüyor. Buna, Şili’de inşaatı devam eden ve Ocak 2025’te ilk ışığını alması beklenen Vera C. Rubin Gözlemevi de dahildir.

Araştırmacılar, gözlemevinin 5 milyondan fazla Asteroit Kuşağı nesnesi, 300.000 Jüpiter Truva Atı, 100.000 Dünya’ya yakın nesne ve 40.000’den fazla Kuiper kuşağı nesnesi hakkında veri toplayacağını öngörüyor. Ayrıca, Eski Uzay ve Zaman Araştırması olarak bilinen ilk 10 yıllık çalışmada yaklaşık 15 yıldızlararası nesneyi tespit edeceğini tahmin ediyorlar; ancak diğer tahminler yılda 70’e kadar ISO olduğunu söylüyor. Çalışmaları için Stern ve meslektaşları, Dünya ile güneş arasındaki mesafenin (2 AU) yaklaşık iki katı mesafedeki herhangi bir ISO’nun LSST tarafından tespit edilebilecek kadar parlak olacağını varsayıyorlar.

Amaçlar ve araçlar

Stern ve meslektaşlarının makalelerinde açıkladığı gibi, önerdikleri IOE’nin iki temel bilimsel amacı olacaktır. Bunlar arasında “kökeni ve evrimi hakkında bilgi sağlamak için ISO’nun bileşiminin” belirlenmesi de yer alıyor. Belirtildiği gibi, bu çalışmalar ISO’nun ev sahibi güneş sisteminin başlangıç ​​koşulları hakkında çok değerli bilgiler sağlayacaktır. Bu bakımdan IOE, Yeni Ufuklar misyonunun Kuiper kuşağı nesnesi Arrokoth hakkında ortaya çıkardığı bilgilere veya ESA’nın Rosetta misyonunun 67P/Churyumov-Gerasimenko kuyruklu yıldızındaki yaşamın yapı taşlarını nasıl tespit ettiğine benzer bilgiler sağlayacaktır.

İkincisi, IOE, ISO koma faaliyetinin “doğasını, bileşimini ve kaynaklarını” belirleyecek veya kısıtlayacak ve bundan sorumlu süreçleri belirleyecektir. [the] Tipik olarak koma aktivitesi, nesneler bir yıldıza yaklaştıkça buzun süblimleşmesi sonucu oluşur ve bu da çekirdekten toz tanecikleri ve dayanıklı organik moleküller salıverir. Daha önceki gözlemlerin gösterdiği gibi, kuyruklu yıldızların aktivitesi güneş enerjisinin ısınmasına ve kuyruklu yıldızın kendi fiziksel özelliklerine bağlıdır. Stern ve meslektaşlarının makalelerinde ifade ettiği gibi:

“Bir ISO komasının bileşimini ve mekansal dağılımını karakterize ederek IOE, hedef ISO’sunun birincil bileşenlerini doğrudan belirleyebilir, koma aktivitesinin arkasındaki mekanizmaları tanımlayabilir ve gezegenimsi varlıkların bulunduğu proto-gezegensel oluşum diskinde mevcut olan bileşim ve süreçlere ilişkin içgörülerimizi derinleştirebilir. sanki oluşuyormuş gibi… Ayrıca, komadaki buzların ve refrakterlerin fiziksel özelliklerinin (yani, kimyasal bileşim, boyut dağılımı, karıştırma türü) yüzeydekilerle karşılaştırılması, yüzeyleri değiştirmiş olabilecek potansiyel süreçler hakkında fikir verebilir. “

Bu bilimsel hedeflere dayanarak Stern ve meslektaşları IOE’nin hangi araçlara ihtiyaç duyacağını listelediler. Bunlar şunları içerir:

• Yay saniyesi sınıfı açısal çözünürlüğe ve yüksek dinamik aralığa sahip pankromatik görünür dalga boyu görüntüleyici
• Üç filtreli (min) görünür dalga boyu görüntüleyici ve en az 100 çözme gücüyle 1–2,5 um dalga boyu aralığını (muhtemelen 4 um’ye kadar) kapsayan bir kızılötesi görüntüleme spektrometresi
• 700–1970 angstrom (Å) dalga boyu aralığını kapsayan ve 20 Å’ye eşit veya daha büyük spektral çözünürlüğe sahip bir ultraviyole spektrometresi
• Pankromatik görünür dalga boyu görüntüleyici ve UV ve kızılötesi görüntüleme spektrometreleri

Görev profili

Sırada, ISO’ların geçici doğası tarafından belirlenen uzay aracının tasarımı var. ‘Oumuamua ve Borisov’un gösterdiği gibi, ISO’ların hızı, Ana Asteroit Kuşağı’nın iç kenarına yakın olana kadar muhtemelen tespit edilemeyecekleri anlamına geliyor. Buna ek olarak, hiperbolik yörüngeleri, muhtemelen güneşimizin etrafında hızla hareket edebilecekleri ve tespit edildikten kısa bir süre sonra ulaşılamaz hale gelebilecekleri anlamına geliyor. Son olarak, uzay aracının konuşlanma ve hedef ISO’ya ulaşma yeteneğini doğrudan etkileyen, önleme görevinin kendisinin konumlandırılması vardır.

Stern ve ekibi, çalışmaları için Dünya ile Ay arasında bulunan Dünya-Ay L1 Lagrange Noktasında bir “depolama yörüngesi” konumu seçtiler. Bu konumun çeşitli avantajları vardır; bunlardan en önemlisi, konumlandırılan bir uzay aracının kaçış hızına ulaşmak için çok az itme kuvveti üretmesi gerekmesidir; bu, mevcut ivmesinin (delta-v) çoğunun, kesişme yörüngesine doğru yönlendirileceği anlamına gelir. Bu depolama yörüngesi aynı zamanda daha az yakıt ve yola çıkmak için daha az zaman gerektiği anlamına geliyor ve Dünya’ya yakın bir uçuştan hızlı bir yer çekimi desteğine olanak tanıyor.

Stern ve ekibi, çalışmaları için 2 AU’luk bir tespit edilebilirlik sınırı belirlediler ve ISO’ları ortalama 32,14 km/s (~20 mps) hız ve en yakın güneş yaklaşımı 10 AU veya daha az olan simüle ettiler. Göz önünde bulundurulan diğer kısıtlamalar arasında Dünya’nın ve ISO’nun tespit edildiği andaki konumları, ISO’nun yörünge parametreleri, bir görevin bir ISO’yu engelleyebileceği maksimum mesafe (“güneş merkezli kesişme yarıçapı”) ve bağıl hız yer alıyordu. uzay aracı ve ISO arasında. Bu verileri etkili bir şekilde analiz etmek için ekip, engelleme yörüngesini optimize etmek ve uygun şekilde ele geçirilebilecek küçük bir ISO alt kümesi oluşturmak için bir algoritma oluşturdu.

Tüm bu hesaplamaları 10 yıllık bir süre boyunca simüle ettiler ve (önceki görevleri emsal olarak kullanarak) birkaç önemli parametre elde ettiler. Belirledikleri üzere, misyonun 3,0 km/s’lik bir hızlanma (delta-v) kapasitesine sahip olması, minimum 400 km (~250 mil) uçuş irtifası oluşturması, ISO’yu güneşten 3 AU uzaklıkta kesmesi ve 100 km/s (62 mps) uçuş hızına ulaşın. Bu “tespit edilebilirlik alanı” oluşturulduktan sonra, daha yüksek hızlarda (3 ila 3,9 km/s (1,86 ila 2,4 mil/s)) ve 3 AU’ya yakın mesafelerde başarılı bir önleme şansının önemli ölçüde arttığını buldular.

ISO’ların incelenmesi, yeni nesil gözlemevlerini (Vera Rubin gibi) ve önerilen önleme görevlerini kapsayan, gelişen bir astronomik araştırma alanıdır. IOE’ye ek olarak, ‘Oumuamua ve 2I/Borisov’un tespitinden bu yana benzer kavramlar önerilmiştir; buna Yıldızlararası Çalışmalar Enstitüsü (i4is) tarafından yapılan bir öneri olan Lyra Projesi de dahildir. Böyle bir misyonun gerçekleşmesi yıllar alsa da, bunun gibi ayrıntılı çalışmalar, gelişimin bir sonraki aşaması olan görev konseptlerinin tasarlanması ve test edilmesi konusunda bilgi sağlamaya yardımcı olacaktır.

Stern ve meslektaşları bunun gerçekleşebilmesi için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulduğunu kabul ediyor ancak çalışmalarının önemli bir ilk adım olduğunu vurguluyor. “Gelecekteki bir NASA misyonu fırsatına önerilecek görev konseptini daha iyi hazırlamak için daha ayrıntılı çalışmaya ihtiyaç duyulacak” diye yazıyorlar, “ancak bu rapor, bir başlangıç ​​noktası olarak misyonun temel hedeflerini, temel gerekliliklerini ve niteliklerini sağlıyor.”