De resultaten van het onderzoek, gepubliceerd in het Planetary Science Journal, suggereren dat de objecten miljoenen jaren geleden zouden zijn aangekomen vanuit het dichtstbijzijnde planetenstelsel.
De verschijning van de Interstellaire Objecten (ISO’s) ‘Oumuamua en komeet Borisov in respectievelijk 2017 en 2019 veroorzaakte een vlaag van interesse. Wat waren het en waar kwamen ze vandaan? Helaas bleven ze niet in de buurt om in detail mee te werken aan onze studie. Maar ze hebben ons wel iets laten zien: Melkwegobjecten bewegen door het sterrenstelsel.
We weten niet waar beide ISO’s vandaan kwamen, maar er moeten er meer zijn, veel meer. Hoeveel objecten van onze stellaire buren zouden ons zonnestelsel kunnen bezoeken?
Het stersysteem Alpha Centauri (AC) is onze naaste buur en bestaat uit drie sterren: Alpha Centauri A en Alpha Centauri B, die een binaire relatie hebben, en Proxima Centauri, een zwakke rode dwerg . Het hele AC-systeem beweegt naar ons toe en biedt een uitstekende gelegenheid om te bestuderen hoe materiaal zich tussen zonnestelsels kan verplaatsen.
Nieuw onderzoek dat wordt gepubliceerd in Planetary Science Journal onderzoekt hoeveel AC-materiaal in ons zonnestelsel zou kunnen arriveren en hoeveel er misschien al aanwezig is. Het onderzoek is getiteld “A case study of interstellar material delivery: Alpha Centauri”. De auteurs zijn Cole Greg en Paul Wiegert van de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde en het Instituut voor Aarde- en Ruimteonderzoek van de Universiteit van Western Ontario, Canada.
“Er is interstellair materiaal ontdekt in ons zonnestelsel, maar de oorsprong en de details van het transport zijn onbekend,” schrijven de auteurs. “Hier presenteren we Alpha Centauri als een casestudy van de levering van interstellair materiaal aan ons zonnestelsel.” AC zal waarschijnlijk planeten herbergen en naar ons toe bewegen met een snelheid van 22 km/s2, of ongeveer 79.000 km per uur. In ongeveer 28.000 jaar zal hij zijn dichtstbijzijnde punt bereiken en zich op ongeveer 200.000 astronomische eenheden (AE) van de zon bevinden. Volgens Greg en Wiegert kan en zal het materiaal dat van AC wordt uitgeworpen ons bereiken, en een deel ervan is er al.
AC wordt beschouwd als een volwassen stersysteem van ongeveer vijf miljard jaar oud dat planeten herbergt. Van rijpe stelsels wordt verwacht dat ze minder materiaal uitwerpen, maar aangezien AC drie sterren en meerdere planeten heeft, zal het waarschijnlijk een aanzienlijke hoeveelheid materiaal uitwerpen. “Hoewel rijpe stelsels waarschijnlijk minder materiaal uitwerpen dan stelsels in de jaren dat ze planeten vormden, vergroot de aanwezigheid van meerdere sterren en planeten de kans op gravitationele verspreiding van leden van een eventueel overgebleven planetesimaal reservoir, net zoals asteroïden of kometen momenteel uit ons zonnestelsel worden uitgestoten,” schrijven de auteurs.
We weten dat macro-objecten zoals Borisov en Oumuamua ons zonnestelsel hebben bereikt en we weten ook dat interstellair stof ons stelsel heeft bereikt. De Cassini-sonde ontdekte stof en onderzoekers rapporteerden dit in 2003. Bestaande modellen voor het uitwerpen van materiaal uit sterrenstelsels zijn deels gebaseerd op wat we weten over ons zonnestelsel en hoe het materiaal uitwerpt, en Greg en Wiegert baseerden hun werk op die modellen.
Het onderzoek toont aan dat er potentieel grote hoeveelheden AC-materiaal zijn. De auteurs schrijven dat “het huidige aantal Alpha Centauri-deeltjes groter dan 100 meter in diameter binnen onze Oortwolk 106” is, oftewel 1 miljoen. Deze objecten zijn echter extreem moeilijk te detecteren. De meeste bevinden zich waarschijnlijk in de Oortwolk, op grote afstand van de zon. Het tweetal onderzoekers legt uit dat “de waarneembare fractie van zulke objecten laag blijft” en dat er slechts een kans van één op een miljoen is dat er één binnen 10 AE van de zon is.
Deze animatie brengt enkele van de onderzoeksresultaten tot leven. “De baan van Alpha Centauri rond het galactisch centrum gezien in het xy- en yz-vlak (bovenste rij), evenals de banen van de Alpha Centauri ejecta gezien in een commobiel frame (onderste rij). Onze zon (Sun) is gemarkeerd door een zwarte zeshoek en zijn baan wordt aangegeven door een ononderbroken grijze lijn (alleen bovenste rij). De locatie en baan van Alpha Centauri wordt weergegeven door een gele ster en een ononderbroken blauwe lijn (alleen bovenste rij). In de onderste rij volgt het bewegende frame Alpha Centauri rond zijn baan terwijl het zijn oriëntatie behoudt, waarbij de y-as naar het galactische centrum wijst (blauwe pijl) en Alpha Centauri’s snelheid in de -x-richting wijst (zwarte pijl). Dit stilstaande beeld is genomen op t? 3000 jaar (ofwel +3000 jaar vanaf het huidige tijdperk) na ~ 100 Myr integratie. De kleuren van de uitworp geven de derde dimensie van de positie weer, behalve dat elk deeltje op elk moment binnen 100 000 au van de zon in rood wordt weergegeven. Dit toont de tijdsevolutie van t? -100 Myr tot t? 10 Myr,” schrijven de auteurs.
De onderzoekers voerden simulaties uit om te bepalen hoeveel materiaal ons kan bereiken vanaf BC. De simulaties werden gedurende 110 miljoen jaar uitgevoerd, van t= -100 myr tot t= 10 myr. In die tijd wierp AC 1.090.000 deeltjes uit. Ze werden in willekeurige richtingen en met verschillende snelheden uitgeworpen en slechts een klein deel kwam dicht bij de zon aan. “Slechts een klein deel van de AC-uitstoot bevindt zich binnen de CA-afstand (close approach) van de zon. In totaal hadden 350 deeltjes een CA met het zonnestelsel, ~0,03% van de totale uitworp,” leggen de auteurs uit.
Het onderzoek toont aan dat er aannemelijke routes zijn voor AC-deeltjes om ons zonnestelsel te bereiken. Hoe groot kunnen ze zijn?
Volgens de auteurs is het onwaarschijnlijk dat kleine deeltjes die als meteoren in de aardatmosfeer zouden verschijnen, ons bereiken. Ze zijn onderhevig aan te veel krachten op hun pad, waaronder magnetische velden, weerstand van het interstellaire medium en vernietiging door sputteren of botsingen. “Kleine deeltjes die door het interstellaire medium (ISM) reizen zijn onderhevig aan een aantal effecten die hier niet gemodelleerd zijn,” leggen ze uit.
Ze berekenden de minimale grootte van de deeltjes die de reis zouden kunnen maken. “We haalden de relevante parameters voor elk van de 350 AC’s uit onze simulatie en berekenden de minimale grootte die een korrel die langs dat traject reist nodig heeft om alle drie de effecten te overleven,” schrijven de auteurs. Ze ontdekten dat een deeltje met een mediane grootte van 3,30 micrometer de reis kan overleven.
“Met deze grootte en snelheid kan het deeltje 125 pc in de ISM afleggen voordat korrelvernietiging relevant wordt, 4200 pc voor ISM-weerstand en slechts 1,5 pc voor magnetische krachten, dus onze typische deeltjes zijn effectief magnetisch beperkt,” leggen de onderzoekers uit. “In feite worden al onze deeltjes beperkt door magnetische krachten.” De auteurs wijzen er ook op dat deze kleine korrelgroottes niet detecteerbaar zijn door meteorenradarinstrumenten zoals het Zephyr Meteor Radar Network.
Deze resultaten worden bemoeilijkt door ons gebrekkige begrip van de uitwerpsnelheid van materiaal uit ons zonnestelsel, waarop het onderzoek deels is gebaseerd. “Helaas is de uitwerpsnelheid van materiaal van Alpha Cen slecht vastgesteld,” schrijven Greg en Wiegert.
Deze figuur uit het onderzoek richt zich op de 360 deeltjes die dicht in de buurt komen. “De heliocentrische equatoriale straling voor de 350 deeltjes die dichtbij de zon kwamen op het moment van hun dichtste nadering (“Time of Arrival”), met Alpha Cen’s huidige heliocentrische equatoriale coördinaten uitgezet als een zwarte ster en de “effectieve straling” die overeenkomt met Alpha Cen’s schijnbare snelheid is uitgezet als een rode ster. Het paars gearceerde gebied is de gecombineerde projectie van de effectieve doorsnede van het Zonnestelsel (vaste hoekgrootte gezien vanaf Alpha Cen) vanaf het begin van de simulatie tot het huidige moment.”
Maar met dat in gedachten laat het onderzoek zien dat sommige materie ons kan bereiken en hier al is. Het meeste heeft minder dan 10 Myr gereisd om ons te bereiken, maar het moet wel groter zijn dan ongeveer 10 micron om de reis te overleven. Hij schat ook dat ongeveer 10 Alpha Centauri-deeltjes vandaag detecteerbare meteorieten worden in de atmosfeer van de aarde en dat dat aantal de komende 28 000 jaar met een factor tien toeneemt.
Dit onderzoek is een concreet voorbeeld van hoe ons zonnestelsel allesbehalve geïsoleerd is. Als materiaal van sterrenstelsels zich vrij tussen elkaar kan bewegen, opent zich een nieuw venster op het proces van planeetvorming. Als AC exoplaneten herbergt, zou een deel van het materiaal dat ons bereikt afkomstig kunnen zijn uit hetzelfde reservoir van materiaal waaruit die planeten zijn gevormd. Het is misschien mogelijk om direct iets over die planeten te leren zonder de enorme afstand tussen ons en Alpha Centauri te hoeven overbruggen.
“Een goed begrip van de mechanismen waarmee materiaal van Alpha Centauri naar het zonnestelsel zou kunnen worden overgebracht, verdiept niet alleen onze kennis van interstellair transport, maar opent ook nieuwe wegen om de onderlinge verbondenheid van stelsels en het potentieel voor de uitwisseling van materiaal in het hele Melkwegstelsel te onderzoeken,” concluderen de auteurs.
